3.3. Режимы течения газа по трубопроводу

Течение газа – это перемещение газа в трубопроводе под действием разности давлений или температур на его концах.

Течение газа в вакуумных системах зависит от температуры газа и стенок, разности давлений на концах системы, внутреннего трения, формы и размеров системы.

Во время откачки газа из вакуумной системы давление газа обычно уменьшается от атмосферного до весьма малых величин, и одновременно с этим происходит смена режимов течения газа в трубопроводах.

Различают три основных режима течения газа: турбулентное (вихревое), ламинарное (вязкостное) и молекулярное (свободномолекулярное).

В самом начале процесса откачки газа из вакуумной системы при сравнительно высоких значениях давления и скоростях наблюдается турбулентный режим течения, характеризующийся хаотичным не регулярным движением взаимодействующих масс газа между собой, при этом давление носит пульсирующий характер, а силы инерции масс газа вызывают образование вихрей.

Вязкостное течение – это ламинарное течение, в котором определяющее значение имеют вязкостные силы. При этом режиме скорость течения газа уменьшается, а силы инерции теряют свое влияние, и режим течения определяется в основном вязкостью газа.

Переход от ламинарного к турбулентному течению обуславливается достижением критического значения безразмерного числа Рейнольдса, которое рассчитывается по формуле:

,

где – скорость газа, м/с;– диаметр трубопровода, м;– плотность газа, кг/м³; – динамическая вязкость, Па·с.

В таблице 3.1 представлены границы существования различных течений газов в зависимости от числа Рейнольдса.

Таблица3.1

Границы существования различных течений от чисел Рейнольдса

Значение Rе	Rе ≥ 2000	2000 < Rе < 1200	Rе ≤ 1200	Rе < 1200
Режим течения	турбулентный	промежуточная область	ламинарный	устойчивый ламинарный

Молекулярное течение – это течение газа, при котором средняя длина свободного пробега больше или сравнима с минимальными размерами элемента вакуумной системы (условие высокого и сверхвысокого вакуума). Влияние внутреннего трения постепенно уменьшается, так как молекулы почти не сталкиваются между собой, а взаимодействуют только со стенками трубопровода.

Молекулярно-вязкостное течение – это промежуточный режим между молекулярным и вязкостным течением.

Области молекулярного, молекулярно-вязкостного и вязкостного течения дифференцируются числом Кнудсена Кn (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Области молекулярного, молекулярно-вязкостного и вязкостного течения

Степень вакуума	Значение числа Кn	Значение рср·d, Па·м
Высокий вакуум	> 1,5	≤ 0,02
Средний вакуум	5·10-3…1,5	0,02…1,33
Низкий вакуум	< 5·10-3	≥1,33

Примечание: р_ср = (р₁+р₂)/2 – среднее давпение по длине трубопровода, Па;

d – диаметр трубопровода, м.

Лекция №4

4.1. Взаимодействие газов с твердыми телами

При соприкосновении газа с твердым телом происходит одновременно два противоположных процесса:

1) сорбция – это поглощение газа твердым телом;

2) десорбция – выделение газа из твердого тела.

Используя вещества с большой сорбционной способностью, можно существенно улучшить вакуум в вакуумной системе.

С помощью десорбции можно обезгазить твердое тело, т.е. устранить опасность газовыделения из материалов и деталей в готовых вакуумных устройствах.

Виды сорбции:

• адсорбция – это поглощение газа путем удержания его на поверхности твердого тела, твердое тело называется адсорбентом;

• абсорбция – это поглощение газа внутрь твердого тела, твердое тело называется абсорбентом.

Адсорбция бывает физической и химической.

Физическая адсорбция характеризуется малой прочностью связи между адсорбентом и газом. Подобно конденсации физическая адсорбция происходит с выделением тепла (экзотермический процесс) и протекает очень быстро. Конденсацию можно рассматривать как частный случай адсорбции вещества.

Химическая адсорбция (хемосорбция) характеризуется более прочной связью между адсорбентом и молекулами газа. Хемсорбция происходит с поглощением тепла (эндотермический процесс), поэтому для нее требуется сообщение молекулам газа дополнительной энергии – энергии активации.

Абсорбция подразделяется на два вида:

• образование твердого раствора;

• химическая реакция.

Образование твердого раствора. Проникающие внутрь кристаллической решетки твердого тела абсорбируемые молекулы газа, занимая свободные узлы или места между узлами кристаллической решетки, продолжают принимать участие в тепловом движении молекул абсорбента. При достаточно большой амплитуде колебания молекулы растворяющегося газа срываются с занятых мест и диффундируют на новые места. Перемещаясь в сторону своей меньшей концентрации, газ постепенно распространяется по всему объему.

Химическая реакция газа с твердым телом приводит к образованию нового химического соединения как на поверхности, так и внутри абсорбента.