10.6. Регулирование давления. Часть 1
Приборов для регулирования давления газа в реакторе или какой-либо системе очень много. Ежегодно их перечень пополняется новыми конструкциями. Общее название регуляторов давления - маностаты. В этом разделе приведены только наиболее распространенные типы маностатов, которые легко сделать в лаборатории. Рассмотрены также схемы маностатов. пригодные для создания приборов, наиболее полно отвечают целям эксперимента.
В простых лабораторных работах давление газа можно регулировать, сжимая резиновый шланг зажимом Гофмана или стационарным винтовым зажимом Можно перекрывать поток газа краном или клапаном.
Самым простым приспособлением для регулирования давления в вакуумной системе служит вакуумный кран 1 с капилляром 2 (рис. 251,а). Кран и капилляр имеют пришлифованные поверхности. Если заготовить набор капилляров с разным внутренним диаметром, то можно грубо регулировать количество проходящего через кран газа.
Чувствительными к изменению давления являются маностат Декарта и его модификации.
Поплавковый маностат Декарта включают между вакуум-насосом и прибором, в котором создают вакуум, через тройник (рис. 251,6). Полый поплавок 4 соединяют через трубку 6 и кран 7 с прибором. На поплавке в резиновой пробке укреплен стальной шток 3, соединенный через тонкую трубку 2 с резиновой пластинкой Для вакуумирования прибора открывают кран 7 и соединяют тройник 9 с вакуумом. Воздух из маностата откачивают до давления, которое нужно будет поддерживать, после этого кран 7 закрывают. Если давление в приборе понизится. то уровень ртути в поплавке тоже понизится, и поплавок поднимется вместе с резиновой пластинкой 1 и откроет верхнее отверстие трубки 2, через которое наружный воздух проникнет в прибор, восстанавливая прежнее давление.
Поплавок 4 снабжен шинами 8. удерживающими его и вертикальном положении.
Трение между шипами и стенкой сосуда 5 должно быть минимальным, иначе чувствительность Маностата уменьшится. Если внутренний диаметр трубки 2 равен 2 мм, То можно регулировать давление до 3 • 104 Па (200 торр) , а при диаметре 1 мм (3 - 4) • 104 Па (200 - 300 торр). Точность perV лирования зависит от конструкции и материала запорного приспособления.
Одной из модификаций маностата Декарта является прибор показанный на рис. 251,е. В нем трубка 3 соединена с вакуумной системой, а трубка / - с вакуум-насосом и вставлена во фторопластовую пробку 2 плотно, но подвижно.
Поплавок 5 закрыт сверху резиновой пластинкой 4 и плавает в ртути. Перед использованием прибора трубку 1 немного поднимают и из пространства над поплавком откачивают воздух до давления несколько ниже того, которое необходимо регулировать. При откачивании пластинка 4, имеющая вид колпачка, приподнимается и выпускает воздух из поплавка, поднимающегося на поверхность ртути. Если теперь в сосуд б впустить воздух, то ртуть почти целиком заполнит поплавок. Поэтому в сосуде 6 перед откачкой воздуха должно находиться столько ртути или другой жидкости, чтобы ее было достаточно для заполнения внутреннего объема поплавка.
Когда заданный вакуум достигнут, трубку 1 опускают до соприкосновения с резиновой пластинкой 4. При понижении давления в регулируемой системе пластинка плотно закроет трубку 1 и даже присосется к ней, и удаление газа из системы прекратится. Достигнутый вакуум будет удерживаться на каком-то постоянном уровне. Если давление возрастет, то поплавок опустится и откроет трубку 1 для удаления появившегося избыточного газа.
Другой модификацией поплавкового маностата является прибор, изображенный на рис. 251,г. При повышении давления газа, поступающего по трубке 1, уровень ртути в сосуде 5 понижается, и поплавок 4 опускается вместе со связанным с ним шариком 2, который и закрывает отверстие, прекращая поток газа. Заданное значение давления регулируют вертикальным перемещением ртутного резервуара 6. Поплавок должен иметь большой диаметр, близкий к диаметру сосуда 5. а шарик и седло, в которое он опускается, - пришлифованные поверхности-Трубка 3 служит для выхода газа.
Маностаты Декарта, как и все маностаты с изолированным объемом воздуха, не обеспечивают постоянство давления, если изменяется температура газа. Кроме того, через такие маностаты нельзя пропускать тазы, взаимодействующие с ртутью. В этом случае вместо ртути применяют другие жидкости с низким давлением пара и устойчивые в атмосфере конкретного газа.
Жидкостные маностаты. В наиболее простом жидкостном маностате трубка 1 (рис. 252,а) присоединена к вакуумируемому прибору, а трубка 5 к вакуум-насосу. Перед работой открывают кран 2 и создают в маностате и приборе нужное разряжение.
Затем кран закрывают и уравнительным сосудом 4 устанавливают нужный уровень жидкости в сосуде 3. Если давление в приборе возрастет, то некоторое количество газа через слой жидкости в сосуде 3 перейдет по трубке 5 к вакуум-насосу. Таким образом, значение давления в приборе будет зависеть от Уровня жидкости в сосуде 3, ее плотности и давления пара.
В качестве рабочего вещества в маностатах применяют жид-Кости с низким в обычных условиях давлением пара, мало-Растворяющие проходящий газ и не взаимодействующие с ним, такие как силиконовое масло, креозол, нитротолуол, глицерин, Серная кислота, дибутилфталат и др.
Сернокислотный маностат (рис. 252,6) состоит из двух коаксиальных цилиндров 3 и 7, сосуда 6 с кислотой. Избыточное давление по отношению к атмосферному задается высотой Л, колонка кислоты в цилиндре 7. Уровень кислоты устанавливает при помощи резиновой груши, надетой на трехходовой кран 5 при закрытых крапах на трубках 1 и 8.
С помощью крапа на трубке. 1 регулируют поток газа, а крапом на трубке 8 подключают прибор или сосуд с заданным давлением, определяемым высотой Л, столба кислоты.
Когда через трубку 1 поступает газа больше, чем нужно для работы, его избыток удаляется через насадку Кьельдаля 2.
При понижении давления газа, поступающего по трубке 1 уровень кислоты в цилиндре 7 также понижается, и нижние концы трубок 3 и 4 погружаются в кислоту, запирая прибор потребляющий газ. Таким образом, в прибор может поступать только газ с избыточным давлением, определяемым высотой столба А, кислоты.
Механические маностаты. В приборах с механическим регулированием давления основным элементом является либо упругий резиновый конус (кольцо), либо резиновая мембрана. Механические маностаты служат для грубой регулировки давления.
Маностат с резиновым конусом (рис. 252,в) состоит из двух стеклянных или фторопластовых тарелок 2, между которыми прочно закреплен мягкий резиновый конус 3 с толщиной стенок около 5 мм. Трубка 5 соединяет маностат с прибором, в котором нужно поддерживать постоянное давление, а трубка 4 связывает маностат с ваккум-насосом. Степень откачки газа регулируют вентилем 1.
Когда давление в вакуумируемом сосуде падает ниже заданного предела, конус 3 сжимается и вентиль плотно закрывает отверстие трубки 4, что прекращает отвод газа через трубку 5. Точность регулирования давления таким маностатом составляет 10% от значения давления в интервале 7•103 - 9•104 Па (50-670 торр).
Регулировать давление можно и путем периодического включения электродвигателя механического вакуум-насоса. Этим приемом пользуются в тех случаях, когда газ в приборе не выделяется, сам прибор герметичен, насос по достижении нужного вакуума на какой-то период времени отключают.
Мембранный маностат (рис. 252,г) состоит из мембранной камеры 3, разделенной резиновой мембраной 5, вырезанной из автомобильной камеры. Диаметр мембраны 20 - 30 мм, а толщина 1 мм.
Газ входит в камеру через трубку 1, а затем через трубку длиной 10 мм. вход в которую ограничивает впит 2. попадает под резиновую мембрану 5 и выходит из маностата через трубку 6 Маностат может быть изготовлен из полипропилена или фторопласта-4, а мембрана - из автомобильной камеры. Диаметр мембраны 20 - 30 мм, толщина 1 мм.
Рис. 253. Электрические маностаты: ртутный (а) и сернокислотный (б)
Сопротивление трубки 4 изменяют при помощи винта 2, вводимого и выводимого из нее. Если в отводящей трубке б давление ниже, чем в подводящей трубке 1, то мембрана прижимается к отполированному отверстию трубки б и выход газа прекращается. Но через мгновение давление в двух частях камеры 3 выравнивается, так как сверху поступает через трубку 4 дополнительное количество газа, и он начинает снова выходить через трубку б. Возникает опять разность давлений, мембрана снова прогибается и прерывает ток газа. Она находится в состоянии очень быстрых колебаний, порядка 500 - 600 колебаний в секунду. Расход газа в интервале давлений 3 • 103 - 3 • 104 Па (20 -200 торр) постоянен с точностью до 1%.
Электрические маностаты. Кроме жидкостных и механических маностатов в лабораториях применяют и электрические, являющиеся по существу прерывателями электрического тока, питающего электродвигатели вакуум-насоса или компрессора, и работающие вместе с электронным реле.
Действие электрических маностатов, как и жидкостных, связано с изменением уровня жидкости в том или ином сосуде, но жидкость в этом случае должна быть электропроводной.
Ртутный прерыватель (рис. 253,а) является простейшим электрическим маностатом, имеющим впаянные неподвижные электрические контакты 2 и 3. Значение регулируемого давления Устанавливают поворотом доски, на которой закреплен прерыватель, при помощи ручки 4. К прибору маностат присоединяют через трубку. Прерыватель позволяет регулировать давление газа ниже 3 - 103 Па (20 торр).
Если перед наполнением его ртутью из левого запаянного колена с контактом 3 полностью удален воздух, то прерыватель практически нечувствителен к изменению температуры окружающей среды. Контакты 2 и j присоединяют к электронному реле.
Другие части:
10.6. Регулирование давления. Часть 1
10.6. Регулирование давления. Часть 2