ВВЕДЕНИЕ

Аппараты, работающие в условиях вакуума, можно разделить на две группы в зависимости от характера протекающих в них процессов и от степени разрежения. К первой группе относятся аппараты, работающие в диапазоне давлений от атмосферного до давления в тройной точке, ко второй — аппараты, работающие при давлениях ниже тройной точки. В аппаратах первой группы может происходить переход из газообразного состояния только в жидкое и обратно; в аппаратах второй группы испарение и конденсация представляют собой переход из твердого состояния непосредственно в газообразное и обратно. Аппараты второй группы получили название сублимационных. В каждой группе законы, по которым происходят процессы испарения и конденсации, имеют свои особенности, в соответствии с чем и разрабатывается необходимая аппаратура.

Теория теплообмена не может развиваться без знания законов строения молекул, атомов и других частиц, а также сил взаимодействия между этими частицами. При изучении процессов теплообмена в разреженной среде нельзя ограничиваться только рассмотрением взаимодействий между нейтральными молеку­лами и их комплексами, а надо учитывать процесс образования иони­зированных частиц, наличие свободных электронов, квантов (фотонов) энергии и других элементарных частиц. Анализ ассоциированных комплексов дает возможность непосредственно определять различные дискретные энергетические состояния молекул газа и на этой основе делать выводы о роли колебания и вращения ядер в молекуле при образовании комплексов из молекул пара и газа. Зная общую энергию колебания и вращения, а также энергию движения электронов в молекуле на различных уровнях, можно определить силы, действующие при образовании комплексов.

Теплообмен в вакуумных аппаратах состоит из трех различных по своей природе процессов: теплопроводности, конвекции и излучения. Эти процессы связаны с одним физическим явлением — переносом массы (молекул, атомов, элементарных частиц) с разной энергией из одной области пространства в другую. С точки зрения физики, каждый из этих трех процессов представляет собой совокупность одновременно протекающих явлений тепло-массообмена. Обмен энергией между частицами как в объеме, так и на поверхности происходит в состоянии ассоциации—конденсации и адсорбции. Условием для образования из молекул ассоциированного комплекса является принцип запрета Паули. В ядерной физике имеет место аннигиляция — энергетический процесс превращения элементарных частиц, например превращение позитронов и электронов в гамма-кванты.

Таким образом, «перенос тепла» — это перенос частиц с разной энергией из одного места, в другое. Ассоциация молекул одна с другой в объеме или молекул газа с молекулами твердой поверхности есть обязательное условие для обмена энергиями между взаимодействующими частицами. Молекулы ассоциируются даже при упругом столкновении, когда энергетическая разность между сталкивающимися молекулами минимальна. В этом случае ассоциированный комплекс, состоящий из двух-трех молекул, крайне неустойчив и может легко распадаться. Для образования более устойчивой ассоциированной частицы из двух молекул с равной энергией необходимо наличие третьей частицы с меньшей энергией, чем у первых двух. В этом случае третья частица поглощает энергию ассоциации, являясь аккумулятором энергии образовавшегося комплекса. В полном аналитическом аспекте эта задача решается только с помощью теории Дирака. При неупругих столкновениях молекул реального газа, которые обычно начинаются при достижении определенного энергетического уровня колебания и вращения молекул, число ассоциированных частиц увеличивается. Комплексные частицы образуются из молекул, у которых потеря энергии сопровождается переходом электрона на низший энергетический уровень, и из ионов. В момент образования комплекса энергия ассоциирующихся частиц как бы выравнивается. Время существования и длина свободного пробега ассоциированных комплексов зависят от энергетического состояния молекул до столкновения и от числа столкновений комплекса с другими частицами.

Процесс образования в объеме комплексных частиц описывается в первом приближении уравнением ассоциации. Ассоциация молекул реальных газов основана на действии электрических сил. Эти силы обусловлены взаимодействием отдельных положительных и отрицательных зарядов, входящих в состав каждой молекулы, которая в целом является электрически нейтральной.

Кнудсен, рассматривая механизм отражения молекул от стенки, приходит к заключению, что молекулы газа, попадая на поверхность твердого тела, задерживаются на ней силами сцепления и образуют адсорбированный слой. Время пребывания адсорбированных молекул на поверхности твердого тела определяется разностью энергий молекул твердого тела и адсорбированных молекул. После этого под влиянием собственного теплового движения и движения молекул твердого тела они покидают стенку в новом энергетическом состоянии. В наиболее простой форме такие процессы наблюдаются в газообразной среде.

Значительно сложнее по своей физической природе процессы передачи энергии в капельных средах. Можно считать вероятным, что в жидкости структурные свойства твердых тел проявляются больше, чем газообразных, поэтому носителями энергии в капельной жидкости при конвективном теплообмене являются структурные элементы и, по-видимому, ассоциаты, состоящие из двух и более молекул. Не исключена возможность и других более сложных форм переноса энергии в жидкостях. Что касается возможного переноса тепла отдельными молекулами в жидкой среде, то такой перенос если и происходит, то он в количественном отношении пренебрежимо мал по сравнению с переносом энергии элементами решеток и комплексами, особенно при температурах, близких к тройной точке.

Процессы переноса энергии в твердых телах протекают еще сложнее, чем в жидкостях. В частности, это относится к процессу сублимации — испарения с твердой поверхности. Радиус упорядоченного взаимодействия молекул твердого вещества значительно больше, чем жидкого. Отсюда следует, что для преодоления сил взаимодействия между молекулами, составляющими поверхность испарения, т. е. для вырывания частиц с поверхности твердого тела, требуется значительно больше энергии, чем для вырывания тех же частиц с поверхности жидкости. Энергия затрачивается не только на десорбцию отдельных молекул, но и на разрушение кристаллических решеток вещества и на вырывание комплексов с твердой поверхности.

Кинетическая теория газов позволила вывести аналитические соотношения для определения скорости сублимации льда и скорости десублимации водяного пара только для условий высокого вакуума. При увеличении давления в среде определенная часть испарившихся молекул вещества не успевает отводиться и возвращается на поверхность сублимации. Это явление в уравнении скорости сублимации учитывается коэффициентом сублимации. При конденсации в условиях высокого вакуума и низких температур практически все молекулы газа и водяного пара, падающие на холодную поверхность в ассоциированном состоянии или по отдельности, адсорбируются. При этом под слоем льда остается часть молекул неконденсирующихся газов: водорода, азота, углекислого газа, дифтордихлорметана, аргона, гелия. Этот эффект дает возможность создать высокопроизводительные адсорбционно-конденсационные насосы для сверхвысокого вакуума. Теоретическим пределом разрежения такого насоса является давление насыщения водяного пара, соответствующее температуре конденсации.

В высоком вакууме теплота фазового превращения может полностью отводиться от участков поверхности, на которых образуется твердая фаза. При увеличении давления поступающего пара, и, следовательно, увеличении количества молекул, падающих на единицу поверхности конденсатора в единицу времени, выделяющееся количество тепла превышает теплоотвод через стенки. В этом случае определенная часть теплоты фазового превращения сконденсированного пара не успевает отводиться от поверхности конденсации и расходуется на частичный распад уже образовавшихся кристаллических групп, т. е. на образование некоторого обратного потока молекул от стенки. Такое испарение называют спонтанным. Без учета спонтанного испарения нельзя применять уравнения, полученные при условиях высокого вакуума, для определения скорости конденсации в среднем и низком вакууме.

Эксперименты дали возможность высказать предположение о характере механизма изменения энергии молекул и о роли заряженных частиц и ионов в процессе конденсации, что позволило разработать метод расчета сублимационных конденсаторов во всем диапазоне давлений ниже тройной точки. Поверхность сублимации находится из равенства Fc = ηFк (η — коэффициент использования поверхности). Вследствие этого отпала необходимость формального введения эмпирического коэффициента теплоотдачи.

Исследования процессов десублимации и сублимации выявили интенсифицирующую роль неконденсирующихся газов в определенных условиях разрежения. Интенсификация процесса сублимации вызвана тем, что молекулы неконденсирующегося газа, достигшие поверхности испарения, ассоциируются со «свободными» молекулами пара и, отражаясь в этом комплексе от поверхности испарения, уносят их к поверхности конденсатора. Чем больше атомов в молекуле неконденсирующегося газа и чем больше энергия молекул, тем эффективнее их воздействие на процесс испарения ниже тройной точки. Чем больше энергии отдает молекула неконденсирующегося газа поверхности сублимируемого вещества, тем больше испаряется с этой поверхности молекул пара. В соответствии с этим в современных сублимационных аппаратах рекомендуется вести процесс конденсации и испарения в присутствии остаточного газа, если это допустимо по технологическим условиям. При низких температурах наиболее эффективными частицами, интенсифицирующими процесс сублимации, являются молекулы и кванты с большой энергией, а частицами, интенсифицирующими процесс конденсации водяного пара в твердое состояние, — молекулы газа с минимальной энергией и положительные и отрицательные ионы.

Наше предположение о том, что в присутствии ионов в объеме аппарата процесс конденсации будет протекать более интенсивно, полностью подтверждено экспериментально в работах А. К. Жебровского [17]. В результате проведенных исследований поставлен вопрос о создании промышленных ионных конденсаторов и вакуумных адсорбционно-конденсационных насосов большой производительности.

Назад, на страницу описания