2.2. Конденсація та випаровування.

Речовини, в залежності від температури і тиску, можуть знаходитись в різних агрегатних станах: рідкому, твердому, газоподібному. У вакуумній техніці найчастіше приходиться враховувати процеси переходу речовин із газоподібного стану в рідкий (конденсація) та із рідкого стану в газоподібний (випаровування). Конденсацію газу можна розглядати, як частинний випадок адсорбції речовини на самій собі.

У вакуумній техніці з різною метою застосовуються рідини, які неминуче є джерелом парів у вакуумній системі. Так, наприклад, застосовується ртуть, в якості робочої рідини деяких типів вакуумметрів та ртутних пароструминних насосів. Також існують масляні пароструминні та масляні обертальні насоси, що працюють на спеціальних маслах. Окрім зазначеного, джерелами парів у вакуумних системах можуть бути речовини, що застосовуються як змазки, ущільнювачі, поглиначі, покриття та, в певній мірі, випаровують і самі стінки будь-якої вакуумної камери. У замкненому просторі при певній температурі з часом настає динамічна рівновага між рідиною і її парою, тобто число молекул, які покидають поверхню рідини дорівнює в середньому числу молекул, які повернулись у рідину за той же час. Пара, що знаходиться в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, називається насиченою. Для кожної речовини можна побудувати діаграму агрегатного стану (рис.2.4), який визначають тиск і температура. Крива abc визначає тиск насиченої пари, значення якого для реальних речовин наведені в таблиці 2.1.

Рис. 2.4. Діаграма агрегатного стану речовини: І – рідина; ІІ – тверде тіло; ІІІ – пара; IV – газ; Т_кр – критична температура; Т_b, P_b – параметри потрійної точки

Якщо пара знаходиться в стані далекому від насичення, то до неї, як і до будь-якого газу, можна застосовувати закони для стану ідеального газу.

Для насиченої пари справедливі лише закони Авогадро і Дальтона, які не пов’язані зі зміною параметрів стану.

Таблиця 2.1

Тиск насиченої пари речовин, які застосовуються у вакуумній техніці

Речовина	Тиск насиченої пари при 293К, Па
Вода	2333
Ртуть	1,6 10-1
Масло для механічних вакуумних насосів	1-10-2
Масло для пароструминних дифузійних насосів	10-5-10-7
Змазка, ущільнювачі	10-7-10-8
Скло	10-13-10-23

Масовий потік газу, що падає на одиницю поверхні в одиницю часу, визначається за співвідношенням:

, (2.3)

де р, Т – тиск, Па, і температура газу, К; G виражається у кг/(м²с), якщо молекулярна маса М – в кг/кмоль, R=8,31 10³Дж/кмольК.

Швидкість конденсації визначають як добуток:

, (2.4)

де - імовірність конденсації молекули газу, що взаємодіє з поверхнею твердого тіла.

При тиску насиченої пари р_т встановлюється динамічна рівновага процесів конденсації і випаровування, що дозволяє визначити швидкість випаровування:

, (2.5)

де р_т – тиск насиченої пари при температурі Т.

Швидкість масообміну на поверхні

. (2.6)

При р>p_T відбувається осадження, а при p<p_T – видалення речовини з поверхні тіла.

Тиск насичення більшості парів, які спостерігаються на практиці (рис.2.5), при кімнатній температурі лежать вище 1,33 10³Па або практично може бути досягнутий тільки в насосах з масляним ущільненням, що мають випускний тиск, який дорівнює атмосферному. В інших насосах (двороторних, турбомолекулярних, струменевих), які не працюють проти атмосферного тиску, вказані пари не конденсуються.

Рис.2.5. Залежність тиску насичених парів від температури для деяких речовин: 1, 6 – етиловий спирт; 2 – сірчистий вуглець; 3 – ацетон; 4 – хлороформ; 5 – чотири хлористий вуглець; 7 – бензол; 8 – водяна пара

Найчастіше виникає необхідність відкачування парів води. Вода, що потрапила у масло, окрім утворення емульсії масло-вода (важко розділяється), викликає ряд хімічних взаємодій які призводять до погіршення змазування, перегріву і осмолення насосу, а також підвищення граничного залишкового тиску та корозії окремих деталей насосів.

Ефективним способом запобігання конденсації парів у насосі є напуск, так званого баластного газу у камеру насоса в додаток до пари, що надійшла у камеру після відділення камери від впускного патрубка насоса. Як баластний газ зазвичай використовується атмосферне повітря, що надходить у камеру крізь окремий отвір із зворотним клапаном. Пристрій для впуску баластного газу називається газобаласт і насос, відповідно, називають газобаластним.

У камері газо баластного насоса стискується суміш парів з баластним газом. Кількість баластного газу визначається наступною умовою: потрібно щоб до моменту досягнення сумішного тиску вихлопу парціальний тиск парів не