Конденсационные насосы

Получение вакуума - Насосы для высокого вакуума

При необходимости достижения высокого вакуума более предпочтительно использование  откачка газов конденсацией их на холодных поверхностях, охлаждаемых жидким азотом, водородом или гелием, в зависимости от рода конденсируемого газа

(рис. 377). Методом  конденсации газа на холодных  стенках камеры (рис. 377, б) удается  достичь таких условий разрежения, которые не могут быть получены  откачкой любым насосом через  отверстие в стенке камеры (рис. 377, в). В последнем случае молекулы  газа отражаются от стенок  камеры и испытывают столкновения  с моделью космического корабля  прежде, чем они выйдут за пределы  камеры через выходное отверстие.  

Рис. 377. Моделирование условий высокого вакуума в космическом пространстве: а — модель космического корабля; б — полная конденсация газа на стенках камеры; в — внешняя откачка без конденсации на стенках камеры 

Основным достоинством конденсационных криогенных насосов является возможность получения высоких скоростей откачки и относительно низкая стоимость. Предельное давление, создаваемое конденсационным насосом, зависит от давления насыщения пара при температуре откачивающей поверхности. Очевидно, что скорость откачки конденсационного насоса зависит в первую очередь от конфигурации и расположения его поверхности, так как необходимо обеспечить свободный доступ молекул пара к холодной поверхности.

На рис. 378 показан конденсационный криогенный насос фирмы Эдварде (Англия). Небольшой центральный резервуар с жидким гелием снабжен с наружной стороны ребрами. Резервуар снаружи охлаждается жидким азотом для экранирования от потерь тепла излучением.

Насос монтируется в отверстии, сделанном в верхней части вакуумной камеры, и имеет скорость откачки азота около 1000 л/с. Скорость откачки газов, конденсирующихся при температуре жидкого азота, значительно больше. Предельное давление 5*10-11 мм рт. ст. Насос установлен в вертикальном положении и допускает прогрев до 400° С. Емкость насоса 300 мл жидкого гелия и 1500 мл жидкого азота (модель E1000).

Конденсационные насосы используют в качестве сверхвысоковакуумной ступени агрегатов и создают скорость откачки до 100000000 л/с при давлениях 10-10 — 10-11 мм рт. ст. Для создания предварительного разрежения при этом используют турбомолекулярные или диффузионные насосы. Для более экономичной откачки применяют поверхности, охлаждаемые жидким азотом, и поверхности, охлаждаемые жидким водородом или гелием. Охлаждаемая азотом поверхность служит защитным тепловым экраном для поверхности, охлаждаемой гелием.

Схема конденсационного криогенного насоса приведена на рис. 379. В этой схеме нижняя перегородка служит для изоляции области сверхвысокого вакуума от верхней части сосуда с гелием, где меняется уровень залитого гелия. В полости 5 конденсируются газы, и образующийся вакуум служит тепловой изоляцией.

При температуре кипения водорода 20,4° К конденсируются основные составляющие воздух газы, а количество неконденсируемых газов относительно мало. В воздухе содержится 0,01% водорода; 0,00046% гелия и 0,00161% неона—газов, которые не будут конденсироваться при температуре кипения водорода. Для откачки этих газов из системы при работе водородного насоса требуется дополнительный диффузионный насос относительно небольшой производительности.

Если производить откачку не воздуха, а каких-либо других газов с более высокой температурой кипения, вместо водорода можно применить жидкий азот (например, для откачки углекислого газа, аммиака и др.). Лазарев и Боровик исследовали водородные насосы двух типов производительностью —14 000 л/с и —4000 л/с с предельным давлением 10-8 — 10-9 мм рт. ст.

Рис. 380. Водородный конденсационный насос производительностью 13000—14 000 л/с:

а — вид насоса в разрезе; б — установка азотного экрана

Основным рабочим элементом насоса (рис. 380) является сферический сосуд / емкостью 5 л, в который заливают жидкий водород. Над заполненным водородом шаром находится второй шар 2 для жидкого азота, которым охлаждается экран 3. Эта система помещена в бак 4 объемом 400 л, в котором и создается высокий вакуум. Откачиваемый объем присоединен к диффузионному ртутному или масляному насосу производительностью 150—200 л/с, который откачивает неконденсирующиеся примеси.

Рис. 382. Схема гелиевого конденсационного насоса:1 — цилиндрическая стальная камера; 2 — форвакуумный насос; 3 — диффузионный насос; 4 — водородный ожижитель; 5 — гелиевый ожижитель;; — мотыльковый клапан; 7 — объем для размещения емкости 11; в — объем для размещения элемента 10; 9 — медный экран, охлаждаемый жидким азотом; 10 — элемент, охлаждаемый жидким гелием, кипящим под пониженным давлением; — емкость для жидкого водорода объемом 40 л; 12 — ловушка

Рис. 383. Схема гелиевого ожижителя с двумя давлениями: 1 — теплообменник для охлаждения гелия высокого давления до 21° К;2 — водородный жидкостной теплообменник; 3 — теплообменник для охлаждения гелия высокого давления до 6° К; 4 —сборник гелия; 5 — регулирующий вентиль; 6,8 — термометры; 7 — спираль, служащая откачивающим элементом  

Устройства 5 и 6 служат для предотвращения попадания в откачиваемый объем паров масла или ртути из Диффузионного насоса. Описанная конструкция насоса позволяет в течение нескольких часов достичь давления 10-8 — 10-9 мм рт. ст. в объеме 400 л (при скорости откачки 13 тыс. л/с).

На рис. 381 показан конденсационный насос с автономным ожижителем. Параметры насоса: производительность 37 ООО л/с, предельное давление 10-8 — 10-9 мм рт. ст., потребляемая мощность 17 кВт. Агрегат включает водородный насос и установку для получения жидкого водорода. Рабочая поверхность насоса — медный бачок 1 с поверхностью 5000 см2 помещен в металлическом сосуде 2 диаметром 900 мм. Цилиндрический экран 5 и экран 7 охлаждаются жидким азотом,, поступающим из сосуда Дьюара 4. Большая поверхность экранов позволяет конденсировать пары воды и часть газов, десорбируемых стенками. Жидкий водород получают в водородном ожижителе 6. Затрата энергии на работу ожижителя составляет ~13 кВт, а с учетом расхода азота для охлаждения экранов— 17кВт.

Эта мощность меньше мощности, потребляемой паромасляным диффузионным насосом той же производительности. На рис. 382 дана схема гелиевого конденсационного насоса, требующего лишь наличия жидкого азота, а жидкий водород и гелий производятся в самом насосе с помощью водородного и гелиевого ожижителей. Насос имеет скорость откачки 40 000 л/с по водороду и создает предельное давление ниже 10-9 мм рт. ст. Насос может откачивать все газы, за исключением гелия, для конденсации которого понадобилась бы еще более низкая температура. Для удаления газообразного гелия служит диффузионный насос 3. После того как с помощью диффузионного насоса достигнуто давление 10-4 — 10-5 мм рт. ст., производится запуск водородного и гелиевого ожижителей с одновременным охлаждением медных экранов жидким азотом. Для получения предельного давления 10-9 — 10-10 мм рт. ст. нужно, чтобы температура откачивающего элемента была равна 3° К. Для этого предложен гелиевый ожижитель с двумя давлениями (рис. 383).

На рис. 384 приведены кривые скорости откачки такого насоса по водороду.

Конденсационная откачка азота и воздуха при давлениях от 760 до 4*10-2 мм рт. ст. исследовалась на экспериментальной установке (рис. 385) Хладагентами служили жидкий азот и водород. Температура жидкого азота понижалась откачкой паров над жидкостью. Прокачка жидкого азота по спирали производилась механическим насосом. Жидкий водород проходил по спирали под избыточным давлением. График изменения давления в объеме 820 л показан на рис. 386. Охлаждение производилось жидким водородом. Давление от точки р понижалось вымораживанием с образованием твердой фазы. Давление понижалось до 4•1O- 2 мм рт. ст. за 4 мин. Расход жидкого водорода составил 14 л. 

Ранее нами указывалось на существование эффекта поглощения газа слоем твердого конденсата из водяного пара. При конденсации из парогазовой смеси молекулы неконденсирующегося газа, достигшие при своем движении вместе с молекулами пара поверхности конденсата, с одной стороны, отражаются от последней, а с другой, адсорбируются на поверхности образующегося твердого конденсата. При этом адсорбированные молекулы прижимаются к поверхности непрерывно набегающим новым потоком пара, который мгновенно превращается в лед, оставляя под слоем льда значительную часть неконденсирующегося газа. Это явление открывает возможность создания адсорбционно-конденсационных насосов для откачки трудно конденсируемых газов. В последние годы оно находит все более широкое применение и некоторыми авторами именуется «криозахватом». На рис. 387 приведен график откачки азота из камеры, стенки которой охлаждаются жидким азотом.

При напуске в камеру газообразного азота давление его возрастает по линии 1—2. Если в точке 2 произвести напуск водяного пара в систему, то под слоем конденсата, образующегося из водяного пара на охлаждаемых стенках камеры, остаются молекулы азота, и несмотря на постоянный напуск азота в камеру, его давление более не повышается.

Этот принцип можно использовать при диффузионной откачке, если производить конденсацию на стенках насоса не в жидкое, а в твердое состояние. Схема насоса с использованием описанного принципа показана на рис. 388.

Для улавливания паров воды и откачивания газов, не конденсирующихся при температуре жидкого азота, предложена конструкция охлаждаемой ловушки для вакуумных насосов (рис. 389). Охлаждаемые поверхности ловушки выполнены в виде верхнего, нижнего и кольцевого вертикального оптически непроницаемых экранов. Последний экран состоит из равномерно расположенных по окружности вертикальных трубок с продольными ребрами, образующими проходные каналы с увеличивающимися к периферии площадями сечений. Концы трубок соединены с заполняемыми жидким хладагентом верхним и нижним кольцевыми коллекторами, в плоскости которых расположены соответственно верхний и нижний экраны. Эти экраны имеют большее по сравнению с вертикальным экраном гидравлическое сопротивление. По оси корпуса установлен распределительный патрубок с отверстиями, направляющими поток парогазовой смеси преимущественно к кольцевому вертикальному экрану и имеющими диаметр, увеличивающийся вниз по потоку. На рис. 390 дана схема ловушки (продольный разрез).

Ловушка установлена между вакуумной камерой с устройством, выделяющим большое количество водяного пара, и откачным вакуумным насосом (механическим или пароструйным).

При предварительной откачке системы рекомендуется прогреть ловушку, чтобы десорбировать и откачать газ с поверхностей экранов. Лишь после этой предварительной дегазации и охлаждения ловушки при давлении ниже 10-1 мм рт. ст. через трубу 18 подается жидкий хладагент и к ловушке подсоединяется емкость, содержащая устройство с большим выделением водяного пара.

Парогазовая смесь с помощью распределительного патрубка 14 с отверстиями 15 направляется на кольцевой вертикальный экран 10. Коллекторы 6, 7 и экраны 8, 9, 10 выполнены из металла с большой теплопроводностью. Коснувшись экрана, имеющего низкую температуру, молекулы водяного пара конденсируются в твердое состояние (десублимации). Освобожденный от пара газ отводится по кольцевому каналу и патрубку 5 к вакуумному насосу. Незначительная часть молекул водяного пара, незахваченная кольцевым вертикальным экраном 10, десублимируется на экранах 8 и 9. 

Рис. 390. Охлаждаемая ловушка для вакуумных насосов {разрез): 1 — корпус; 2 — крышка; 2 — теплоизоляция; 4 — патрубок для входа парогазовой смеси; 5 — патрубок для выхода газа к откачному вакуумному насосу; 6 — нижний коллектор; 7 — верхний коллектор; 8 — нижний оптически непроницаемый экран; 9 — верхний оптически непроницаемый экран; 10 — кольцевой вертикальный оптически непроницаемый экран; 11 — трубки; 12 — продольные ребра; 13 — проходные каналы; 14 — распределительный патрубок; 15— отверстия в боковых стенках распределительного патрубка; 16 — цепи подвеса; 17 — упругие элементы; 18 — трубка подвода жидкого хладагента; 19 — трубка отвода газообразного хладагента; 20 — сливной кран

Преимущественная направленность потока парогазовой смеси к кольцевому вертикальному экрану, выполнение проходных сечений каналов вертикального экрана с увеличением сечения в направлении откачки и большее гидравлическое сопротивление экранов 8 и 9 значительно уменьшают количество водяного пара, попадающего на нижний и верхний экраны. Это количество возрастает с увеличением толщины слоя льда на вертикальном экране, и в конечной стадии работы ловушки роль экранов 8 и 9 возрастает.

При десублимации пара последний захватывает и «замуровывает» газы, неконденсирующиеся при температуре жидкого азота («криозахват»). При этом скорость откачки складывается из скорости откачки вакуумного насоса и криозахвата. При достаточно большом отношении расхода водяного пара к расходу неконденсирующихся газов откачной вакуумный насос может быть отключен.

По окончании работы охлаждаемая ловушка прогревается, просушивается, например, греющим воздухом, и конденсат удаляется через сливной вентиль 20.