2. Особые случаи криоконденсации

   1. Конденсация в области среднего и низкого вакуума

Расчеты характеристик процесса криооткачки, проведенные на основе представлений молекулярно-кинетической теории газов, результативны только для молекулярного режима течения конденсирующегося газа. Но процессы криооткачки, например, в имитационных стендах для отработки ЖРД, т.е. когда имеют место интенсивные технологические потоки, протекают в молекулярно-вязкостном и вязкостном режимах. Различия носят принципиальный характер, т.к. по мере повышения давления конденсируемого газа условия криоконденсации существенно меняются. Процессы криоконденсации в этой области усложняются по следующим причинам. Во-первых, малой длиной свободного пути молекул. Это приводит к тому, что соударения между молекулами и соударения молекул с криопанелью имеют для процесса конденсации одинаковое значение, т.е. равнозначно влияют на процесс криооткачки через процессы тепло-массообмена в области криоповерхности (на поверхности или в окрестности криоосадка). Во-вторых, в связи с увеличение потока молекул на криопанель увеличиваются теплопритоки при конденсации. На рис.27.7 представлена зависимость тепловыделения от давления при конденсации воздуха. Если в высоком вакууме (при молекулярном режиме) теплота, выделяемая при конденсации, полностью отводится от криоосадка к криопанели, то при смене режима течения эта теплота полностью не отводится, что приводит к интенсификации испарения с поверхности криоосадка. Это меняет условия взаимодействия откачиваемого газа с криоповерхностью.

Описанные процессы сложны, трудно поддаются расчету. Проблемы решаются экспериментально.

По абсолютному давлению области среднего вакуума приближенно соответствует диапазон давлений 10²…10^-1 Па, области низкого вакуума – 10²…10⁵ Па. А требования по имитации при отработке процессов космических ЖРД заключаются в необходимости обеспечить давление в вакуумной камере стенда на уровне 1 Па.

В зависимости от вида образующегося конденсата на криопанели область низкого вакуума можно разделить на две части: область давлений 760 Па… тройная точка, при работе в которой на криопанели образуется жидкая фаза, и область давлений ниже тройной точки, в которой криооткачка характеризуется интенсивным ростом твердой фазы на криопанели (слоя криоосадка). Все тепловые нагрузки передаются через этот слой. Процесс теплопередачи нестационарен, температура поверхности (слоя) конденсации постоянно растет. По мере роста толщины криоосадка наступит момент, когда температура верхнего слоя криоосадка будет соответствовать при заданном давлении откачиваемого газа кривой упругости. Тогда прямой и обратный потоки будут равны и производительная конденсация прекратится. На рис. 27.8 показало влияние давления на скорость образования криоосадка при конденсации азота. Видно, что в режиме высокого и сверхвысокого вакуума (Р<10^-4 Па) ростом криоосадка можно пренебречь.

Толщину слоя конденсата можно ориентировочно определить по соотношению

, (22)

где N_п – число молекул, падающих на единицу поверхности в секунду, N_с – число молекул в монослое на единице поверхности, τ – время конденсации, d_м – эффективный диаметр молекул.