Конденсирующие системы в вакуумных установках для высокотемпературной металлографии » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Конденсирующие системы в вакуумных установках для высокотемпературной металлографии

15.05.2021

В установках для высокотемпературной металлографии необходимо принимать меры для конденсации паров (масла при применении пароструйных масляных насосов и ртути при использовании ртутных пароструйных насосов), которые могут проникнуть в вакуумную камеру. Кроме того, в вакуумной камере неизбежно присутствуют пары воды, попадающие туда при загрузке и разгрузке. Наличие паров указанных жидкостей обусловлено тем, что давление, например насыщенного водяного пара при 20°, составляет около 17,5 мм рт. ст., ртутного пара 1,2*10в-3 мм рт. ст., а вазелиновое масло, используемое в пароструйных насосах, имеет давление насыщенного пара около 10в-6 мм рт. ст.

Между тем наличие паров воды, ртути или масла недопустимо, например, при исследованиях процессов испарения нагретых материалов, при изучении микростроения сплавов, особенно на основе хрома и титана, и при проведении некоторых других работ.

Для конденсирования паров в вакуумных системах применяют вымораживающие «ловушки». В качестве охладителя (до -78 °С) используют, например, углекислоту («сухой лед»), помещаемую (для лучшего теплового контакта с корпусом ловушки) в ацетон, спирт или эфир. Для получения еще более низкой температуры используют жидкий азот.

Применение жидкого кислорода и жидкого воздуха в вымораживающих ловушках, используемых в вакуумных системах с паро-масляными насосами, недопустимо из-за возможного взрыва при повреждении ловушки и проникновении жидкого воздуха или кислорода внутрь вакуумной камеры, содержащей масло.

При температуре ловушки -78 °C давление насыщенного водяного пара снижается до 4*10в-4 мм рт. ст., а паров ртути — до 10в-10 мм рт. ст. Использование жидкого азота позволяет уменьшить давление насыщенного водяного пара до 10в-19 мм рт. ст., а ртути — до 10в-27 мм рт. ст.

Размещая вымораживающую ловушку между рабочей камерой и пароструйным насосом, можно сконденсировать на ее поверхности пары воды, масла и ртути. Тот же результат достигается при расположении ловушки возле вакуумметрических ионизационных ламп (описание которых приведено ниже); ловушка в этом случае служит поглотителем паров и предотвращает их прохождение внутрь баллона лампы.

Как правило, в начальной стадии откачки удаляемые из вакуумной системы воздух и газы содержат значительное количество паров воды. Благодаря вымораживающей ловушке процесс откачки резко ускоряется. Скорость откачивающего действия при наличии ловушки, охлаждаемой, например, жидким азотом, возрастает примерно на 15 л/сек на каждый квадратный сантиметр поверхности ловушки. До тех пор, пока в системе присутствуют пары воды, откачивающее действие вымораживающей ловушки значительно более интенсивное, чем насоса.

Существенный недостаток вымораживающих ловушек — необходимость их непрерывного охлаждения. При прекращении охлаждения образовавшийся на поверхности ловушки конденсат вновь испаряется.

Расход охладителя зависит от многих факторов, из которых наиболее важными являются теплопроводность материала ловушки, ее размеры, разность температур охладителя и стенки ловушки, а также количество конденсирующихся паров.

Для выбора рациональных размеров ловушки можно считать, что на каждый кубический дециметр объема вакуумной системы охлаждаемая поверхность ловушки должна составлять примерно 0,5 см2.

Вымораживающая ловушка оригинального устройства показана на рис. 22. Ловушка выполняется в виде фланца 1 с расположенными под углом 45° медными заградительными пластинами 2, прикрепленными пайкой или сваркой к трубе 3. Пластины 2 расположены по всему диаметру корпуса пароструйного насоса 4 и образуют «оптический барьер» (сверху пластины полностью перекрывают одна другую)

Жидкий азот поступает в трубу 3 через изогнутый питательный патрубок 5, проходящий в сосуд Дьюара 6. Уплотнительная пробка 7 обеспечивает автоматическую подачу жидкого азота в ловушку под давлением образующихся в сосуде Дьюара паров азота (за счет испарения жидкого азота).

Для выхода паров азота в атмосферу служит отверстие в штуцере 8. Регулирование скорости отвода паров через штуцер 8, а также использование предохранительного клапана 9 позволяет устанавливать постоянное давление в сосуде Дьюара (контролируемое манометром 10) и равномерную подачу жидкого азота в ловушку.

Рассмотренная система обеспечивает низкий расход жидкого азота, а также длительную работу ловушки при непрерывной подаче охладителя непосредственно из стандартного металлического сосуда Дьюара.

Одна из конструкций, в которой конденсатор расположен в патрубке между камерой и пароструйным насосом, показана на рис. 23, а. Вдоль оси патрубка 1 находится цилиндрическая вставка 2. В промежутке между внутренней поверхностью патрубка 1 и наружной поверхностью цилиндра 2 располагаются завитые по спирали две ленты 3 и 4 из листовой меди, для лучшего теплового контакта припаянные или приваренные к цилиндру 2. Фланец 5 соединяется с пароструйным насосом, а фланец 6 — с вакуумной камерой. Для интенсивного охлаждения внутрь цилиндра 2 помещают твердую углекислоту( например, в ацетоне или спирте) или наливают жидкий азот 7.

При рассматривании в плане данной конструкции вымораживающей ловушки видно, что ленты 3 и 4 полностью закрывают отверстие в трубопроводе. При перемещении молекул пара из насоса в камеру, а также при тепловом, беспорядочном движении молекул пара и газа неизбежно их соударение с патрубком 1, цилиндром 2 или лентами 3 и 4. При этом молекулы теряют свою скорость и осаждаются на охлажденных участках.

На рис. 23,6 помещена схема стеклянной вымораживающей ловушки, применяемой, в частности для предохранения манометрических ламп от попадания в них паров воды, ртути и масла. Патрубки 1 и 2 диаметром обычно около 15 мм впаяны в стеклянный баллон 3, который погружен в жидкий азот 4, находящийся в сосуде Дьюара 5.

В тех случаях, когда не предъявляют особо жестких требований к степени разрежения в вакуумной камере и можно пренебречь присутствием в ней паров, а также, что более часто, когда систематическое получение жидкого азота и твердой углекислоты представляет большие трудности, используют водоохлаждаемые отражательные и конденсирующие системы (рис. 23, в и г), а также рассмотренное выше устройство, показанное на рис. 23, а. Однако в этом случае цилиндр 2 (см. рис. 23, а) охлаждается изнутри проточной водой, как и корпус патрубка 1, к наружной поверхности которого припаивают или приваривают кожух или змеевик, соединяемый с системой водяного охлаждения.

На рис. 23, в показана схема одной из наиболее простых систем. В патрубке 1 помещена медная полоса 2, завитая вдоль оси в виде спирали. Эта полоса служит отражателем и конденсатором. Зазор между стенками патрубка и спиралью отсутствует, благодаря чему молекулы паров масла неизбежно ударяются об отражатель 2. Отдавая при ударе свою энергию, молекулы пара теряют скорость и конденсируются в капельки масла, которые осаждаются во время работы насоса. Для повышения эффективности действия отражателя корпус патрубка охлаждается проточной водой, циркулирующей в зазоре, образуемом наружной стенкой патрубка и кожухом 3. Стрелками показано направление движения воды. Корпус пароструйного насоса прикреплен к нижнему фланцу 4 патрубка 1, а верхний фланец 5 присоединен к вакуумной рабочей камере.

Хорошие результаты получены при использовании отражателей, показанных на рис. 23, г. В патрубке 1 между насосом и вакуумной камерой расположена коническая водоохлаждаемая спираль 2 из медной трубки. По всей ее длине припаяно ребро 3 из листовой меди толщиной 1—1,5 мм. В верхней части спирали укреплен экран-отражатель 4. Рассматривая сверху конструкцию конденсатора и отражателя паров масла, можно видеть полностью закрытое отверстие в трубопроводе (как в устройствах, схема которых приведена на рис. 23, а и в). Воздух и газы откачивают через щели между витками спирали. Стенки патрубка для конденсации на них пара охлаждают водой, пропускаемой между патрубком 1 и припаянным кожухом 5. Стрелками на рис. 23, г показано направление движения охлаждающей воды. Фланец 6 присоединяется к диффузионному насосу, а фланец 7 — к вакуумной камере.

На рис. 23, д приведена схема устройства металлической вымораживающей ловушки. При конструировании таких ловушек очень важно обеспечить минимальный обмен тепла между стенками сосуда, в котором находится охладитель (обычно жидкий азот), и корпусом ловушки. Чем меньше этот теплообмен, тем ниже расход охладителя.

Ловушка выполнена в виде цилиндрического корпуса 1, снабженного фланцем 2. По центру фланца расположен тонкостенный (для снижения тепловых потерь) патрубок 3, прикрепленный сваркой или пайкой к патрубку 4, через который в стакан 5 подается жидкий охладитель. Экран 6 служит для отражения подлежащих конденсации частиц пара и газов, поступающих через дно корпуса 1 в ловушку, и направления их на стенки стакана 5.

Весьма удобными в эксплуатации являются термоэлектрические вымораживающие высоковакуумные ловушки типа ТВЛ-40, ТВЛ-100 и ТВЛ-500-4, предназначенные для конденсации паров масла в пароструйных насосах типа ММ-40А, ЦВЛ-100 и Н-5, выпускаемые Правдинским заводом «Термоэлектрогенератор» Московского областного совнархоза. Ценным достоинством этих ловушек, устанавливаемых между корпусом пароструйного насоса и вакуумной камерой, является охлаждение до температуры — 40±4°С отражающих ребер без применения жидкого азота или какого-либо иного хладоносителя. При работе термоэлектрических ловушек (принцип действия которых описан, например, в книге А.Ф. Иоффе) необходимо пропускание через имеющуюся в них термобатарею постоянного тока низкого напряжения. В ловушках TBЛ-40 и TBЛ-100 рабочий ток равен 60 ± 6 а при падении напряжения на батарее 0,9 в ± 3%, а в ловушках TBЛ-500-4 эти же величины составляют соответственно 90 ± 9 а и 1,0 в ± 3%.

Корпус ловушки во время работы охлаждается водой (расход воды в ловушках TBЛ-40 и TBЛ-100 составляет 75 л/мин, а в ловушках TBЛ-500-4 100 л/мин).

Диаметр первых двух типов ловушек равен 116 мм и их высота составляет 90 мм; весят эти ловушки 4,5 кг. Ловушки типа TBЛ-50074 имеют диаметр 240 и высоту 116 мм и их вес равен 10,6 кг.

Безотказная работа термоэлектрических ловушек и указанные выше их ценные эксплуатационные свойства (отсутствие необходимости применения при их работе каких-либо хладоносителей) позволяют рекомендовать их использование в установках для высокотемпературной металлографии.

Рассмотренные выше конструкции систем конденсации паров, имеющихся в вакуумных камерах, далеко не исчерпывают всего многообразия такого рода устройств, но позволяют обратить внимание на необходимость их использования, что, к сожалению, далеко не всегда осуществляется на практике и служит одной из причин неудач при проведении исследований методами высокотемпературной металлографии.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: