Загальна характеристика вакуумних насосів

Розглянемо класифікацію вакуумних насосів по призначенню. Вони підрозділяються на високовакуумні й низько вакуумні. А залежно від фізичних закономірностей, які покладені в основу роботи насосів, - на механічні, сорбційні й іонні.

Серед механічних насосів можна виділити об׳ємні насоси й молекулярні, що засновані на передачі кількості руху молекулам газу від поверхонь, що рухаються. Насоси об׳ємного типу здійснюють відкачку за рахунок періодичної зміни об’єму робочої камери. Цей тип вакуумних насосів з׳явився раніше інших й одержав широке поширення в різних конструктивних варіантах: поршневому, рідинно-кільцевому і ротаційному. Молекулярні насоси засновані на передачі кількості руху молекулам газу від поверхонь, що рухаються. Серед насосів з передачею кількості руху молекулам газу розрізняють: водоструйні, ежекторні, дифузійні і молекулярні. Їх характеристики можна розрахувати на підставі закономірностей внутрішнього тертя у газах.

Сорбційні явища у вакуумі широко використовуються для відкачки газів з вакуумних систем. На принципі хемосорбції заснована робота випарних насосів. Фізична адсорбція й конденсація використовується для відкачки газів криосорбційними насосами: адсорбційними й конденсаційними.

Спрямований рух попередньо заряджених молекул газу під дією електричного поля є основою роботи іонних насосів. Принцип іонної відкачки сумісно з сорбційним використовується в конструкціях іонно-сорбційних насосів.

Основними параметрами будь-якого вакуумного насосу є: швидкість дії, граничний тиск, найменший робочий тиск, найбільший робочий тиск, найбільший тиск запуску й найменший випускний тиск.

Розглянемо схему найпростішої вакуумної системи (Рис. 2.1), що складається з об’єкта, який відкачують 1, манометричних перетворювачів 2 й 3, насосу 4 і сполучних трубопроводів 5. Витікання газу з об’єкта, що відкачують у насос відбувається за рахунок різниці тисків (p1-p2), до того ж p1>p2.

 

Рис. 2.1 Схема вакуумної системи

 

Швидкість відкачки насосу Si у довільному перерізі сполучного трубопроводу можна визначити як об’єм газу, який проходить через цей переріз в одиницю часу.

(2.1)

Швидкістю відкачки об’єкта або ефективною швидкістю відкачки насосу називається об’єм газу, що надходить в одиницю часу з об’єкту, який відкачують, у трубопровід через переріз І при тиску р1:

(2.2)

Швидкість дії насосу – це об’єм газу, який видаляється насосом в одиницю часу через вхідний патрубок (переріз ІІ) при тиску р2:

(2.3)

Відношення ефективної швидкості відкачки насосу до швидкості дії називається коефіцієнтом використання насосу:

(2.4)

Продуктивністю насосу називається потік газу, що проходить через його вхідний переріз. Для стаціонарного потоку виконується умова суцільності:

(2.5)

Встановимо зв’язок між трьома основними характеристиками вакуумної системи: швидкістю дії насосу Sн, ефективною швидкістю відкачки об’єкта Sеф провідністю вакуумної системи між насосом й об’єктом, що відкачують U. Згідно (2.5) можна записати:

(2.6)

Якщо переписати (4.5) у вигляді

то після віднімання першого виразу із другого одержимо

(2.7)

Рівняння (4.6) називають основним рівнянням вакуумної техніки. Воно може бути також переписане у вигляді

(2.8)

За умови Sн = U з (2.8) одержимо, що Sеф = 0,5Sн. Якщо U→ ∞, то Sеф→ Sн, при U→ 0 виходить, що Sеф→ 0.

Запроваджуючи в основне рівняння коефіцієнт використання насосу Kв, згідно (4.3) одержимо два корисних співвідношення:

(2.9)

(2.10)

Графічна інтерпретація рівняння (2.9) наведена на мал. 2.2. Максимальне значення коефіцієнту використання насосу дорівнює одиниці.

 
 

 

Рис. 2.2 - Залежність коефіцієнту використання насосу від відношення провідності від швидкості дії насосу

 

Граничний тиск насосу рпр – це мінімальний тиск, що може забезпечити насос, працюючи без об’єкту, який відкачують. Швидкість дії насосу при наближенні до граничного тиску рине до нуля. Граничний тиск більшості вакуумних насосів визначається газовиділенням матеріалів, з яких виготовлений насос, перетіканням газів через зазори й інші явища, що виникають у процесі відкачки.

Найменший робочий тиск вакуумного насосу рм – це мінімальний тиск, при якому насос тривалий час зберігає номінальну швидкість дії. Найменший робочий тиск приблизно на порядок вищій граничного тиску. Використання насосу для роботи при тисках між граничним і найменшим робітником економічно не виправдовується через погіршення його питомих характеристик.

Найбільший робочий тиск вакуумного насосу рб – це максимальний тиск, при якому насос тривалий час зберігає номінальну швидкість дії. У робочому діапазоні від найменшого до найбільшого робочого тиску забезпечується ефективне застосування насоса для відкачки вакуумних пристроїв. Робочі діапазони тисків вакуумних насосів у більшості визначається їхнім принципом дії й приблизно наведені на рис. 2.3. (пунктир відповідає лабораторним зразкам насосів).

 
 

 

 


Рис. 2.3. Діапазони робочих тисків вакуумних насосів

 

Тиск запуску вакуумного насосу р3 – це максимальний тиск у вхідному перерізі насосу, при якому він може почати роботу. Тиск запуску зазвичай помітно перевищує найбільший робочий тиск. Для деяких типів насосів, наприклад магніто розрядних, ця різниця може досягати 2-3 порядків.

Найбільший випускний тиск рв – цей максимальний тиск у вихідному перерізі насосу, при якому він може здійснювати відкачку. Цей параметр не використовується для деяких типів насосів, що поглинають в об’ємі насосу.

Параметри вакуумних насосів наведені на основній характеристиці вакуумного насосу (залежності швидкості дії від його вхідного тиску (рис. 2.4).

Експериментальне визначення головної характеристики вакуумного насосу може здійснюватися двома методами: стаціонарним методом постійного тиску й квазістаціонарним методом постійного об’єму.

Об׳ємні вакуумні насоси залежно від конструктивного оформлення діляться на поршневі, рідинно-кільцеві й ротаційні.

У поршневих вакуумних насосах відкачка здійснюється за рахунок періодичної зміни об’єму циліндру. Циліндри можуть бути простої й подвійної дії з водяним або повітряним охолодженням. Швидкість руху

Рис.2.4. Головна характеристика вакуумного насосу – залежність швидкості дії від тиску на вході у насос

 

поршня часто не перевищує 1м/с. Звичайні поршневі насоси із самодіючими клапанами мають граничний тиск 4∙103 – 1∙104 Па. Насоси із

золотниковим розподілом мають нижчий граничний тиск 3∙102 Па для одноступеневих й 101Па для двоступеневих конструкцій. Поліпшення граничного тиску досягається перепуском газу з мертвого простору наприкінці ходу поршня у другу порожнину циліндру, у якій закінчується процес усмоктування. Швидкість дії сучасних поршневих насосів становить 10 – 4000 л/с. Часто насоси починають працювати від атмосферного тиску.

Недоліком поршневих насосів є нерівномірність процесу відкачки, неповна рівновага, великі втрати на тертя [≈ 200 Вт/(л/с)] та більша питома маса [10 – 20 кг/(л/с)].

Рідинно-кільцеві насосиабо насоси з рідинним поршнем (рис. 2.6) мають у циліндричному корпусі 1 ексцентрично розташоване колесо 2 з нерухомо закріпленими лопатками. Рідина, яка перебуває у середині корпуса під час обертання під дією відцентрованих сил притискується до стінок корпусу й утворює рідинне кільце 4. Між рідинним кільцем і лопатками насоса утворюються окремі осередки (комірки) неоднакового розміру. На початку їхній об’єм збільшується, і газ через усмоктувальний отвір 3 у торцевій кришці надходить у насос. Потім об’єм комірок зменшується, і стиснений газ через вихлопний отвір 5 вилучається з насосу.

Робочою рідиною для відкачки суміші повітря з водяною парою є вода, для відкачки хлору – концентрована сірчана кислота тощо. По конструкції й умовам експлуатації ці насоси простіші за поршневі тому, що не мають клапанів і розподільних пристроїв.

Граничний тиск таких насосів визначається тиском насичених парів робочої рідини. Водокільцеві насоси мають граничний тиск 2-3∙103 Па. Насоси можуть працювати від атмосферного тиску. У компресорному режимі забезпечують тиск до 2∙105 Па. Швидкість дії лежить у межах від 25 до 500л/с.

 
 

 

Рис. 2.5 Схема рідинно-кільцевого насосу

 

Недоліком насосу є досить велика питома витрата потужності [≈200 Вт/(л/с)] через необхідність переміщення рідини, що перебуває у насосі. Питома маса насосів близько 10 кг/(л/с).

Ротаційні пластинчаті насоси (рис. 2.6, а; б) містять циліндричний корпус 7 із впускним 4 і вихлопним 3 патрубками й ексцентрично розташований ротор 6, у пазах якого встановлені пластини 5. Під дією відцентрованої сили пластини притискаються до корпусу, забезпечуючи зміну об’єму робочої камери насосу. Насоси з малою швидкістю дії (≈1 л/с) виготовлюються за схемою рис. 2.6, а і працюють у масляній ванні, що забезпечує герметизацію з׳єднань насоса й зниження втрат на тертя.

 

 

Рис. 2.6 Схеми пластинчато-роторних насосів:

а – пластинчато-роторний насос; б – багато профільний роторний насос

 

Для запобігання заповнення маслом робочої камери застосовують клапан 2. Початкове притиснення пластин до поверхні статора здійснюється пружиною1.

Насоси зі швидкістю відкачки до103 л/с виконуються за схемою рис. 2.6, б з більшим числом пластин. У цих насосах немає масляної ванни, а для зменшення втрат на тертя використовують бігові кільця 8, які приводяться в обертання пластинами. Отвори у бігових кільцях забезпечують проходження газу, що відкачують. У деяких конструкціях, де є пластини з антифрикційних матеріалів, можна обійтись без бігових кілець.

Граничний тиск таких насосів визначається крім газовиділення матеріалів насосу об’ємом шкідливого простору й тиском насичених парів масла.

Шкідливий простір насоса позначено на рис. 2.7 літерою В. У пластинчато-роторних насосах (див. рис. 2.6, а) об’єм шкідливого простору частково заповнюється робочою рідиною. У насосах, які виконані за схемою мал. 2.6, б у корпусі насосу з об’єму шкідливого простору робиться пропускний канал в одну з робочих камер, який не з’єднується з об’єктом, що відкачують.

При відкачці від атмосферного тиску без врахування тиску насичених парів робочої рідини граничні тиски насосів становлять: 1 Па – для схеми мал. 2.6,а та 2.103 Па – для схеми рис. 2.6, б.

Рис. 2.7 Шкідливий простір пластинчато-роторного насосу

 

Для зменшення впливу об’єму шкідливого простору на граничний тиск пластинчато-роторних насосів їх часто роблять двоступеневими. У цьому випадку граничний тиск знижується до 10-3 Па.

Питома маса таких насосів від 10 до 30 кг/(л/с), питома витрата потужності від 0,1 до 0,3 кВт/(л/с), причому менші значення мають багато пластинчаті роторні насоси.

Ротаційні насоси з ротором, що котиться, бувають двох видів: пластинчато-статорний насос (Рис. 2.8, а) і золотниковий насос (рис. 2.8,б).

Пластинчато-статорний насос складають наступні основні елементи: корпус 1, ексцентричний ротор 2, випускний патрубок 3, пластина 4, пружина 5, вхідний патрубок 6. Робочий простір насосу утворюється між ексцентрично встановленим ротором і корпусом насосу. При обертанні по годинній стрільці за перший оберт ротора газ всмоктується з об’єкту, що відкачують, а за другий оберт здійснюється стискання і вихлоп газу. Пластина під впливом пружини герметично відокремлює області

 
 

усмоктування й стискання газу, що відкачують.

 

Рис. 2.8 Ротаційні насоси з ротором, що котиться:

а – пластинчато-статорний; б – золотниковий

 

Золотниковий насос складається з корпуса 1, ексцентрично встановленого ротора 2, золотника 3, випускного патрубка 4, зворотного клапана 5, шарніра 6 і вхідного патрубка 7. Газ із об’єкта, що відкачують, через вхідний патрубок й отвори у золотнику надходить у камеру усмоктування А, яка збільшується при обертанні ротора по годинній стрільці. У той же час об’єм камери В зменшується й, газ, що перебуває у ній стискається й виштовхується через вихлопний патрубок.

Пластинчато-статорний і золотниковий насоси працюють у масляній ванні, так само як і пластинчато-роторний насос. Характеристики цих насосів приблизно однакові, але золотникові насоси виготовлюються для більших швидкостей відкачки до100 л/с.

Залежності їхньої швидкості дії від тиску показані на рис. 2.9 й можуть бути описані формулою (рис. 2.10) при граничних тисках. Крива 1 відповідає роботі одноступеневого насосу, крива 2 – двоступеневого без пастки, а крива 3 – двоступеневого з пасткою.

Рис. 2.9 Залежність швидкості дії від вхідного тиску для ротаційних масляних насосів

Рис. 2.10 Залежність граничного тиску від випускного

 

Тиск запуску й випускний тиск насосів часто рівні атмосферному, але при герметичному перекачуванні газів вони можуть змінюватися у широких межах. Залежність граничного тиску від випускного тиску показана на рис. 2.10. Найбільший випускний тиск рв≈ 2∙105 Па. При випускних тисках, більших рв, порушується герметичність масляного ущільнення у зазорах насоса й спостерігається різке погіршення граничного тиску. При випускному тиску, менше рв, граничний тиск практично не залежить від вихлопного тиску.

 

Пароструминна відкачка

При пароструминній відкачці (рис. 2.11) молекули газу, що відкачують, які надходять у насос через вхідний патрубок 1, взаємодіють зі струменем пари, який має звукову або надзвукову швидкість і здобувають додаткову швидкість у напрямку насосу попереднього розрідження, що приєднаний до вихідного патрубку 6.

Рис. 2.11 Схема пароструминної відкачки

У камері 3 відбувається змішування парового струменя, що виходить із сопла 2, і газу, що відкачують. Замикаючий канал 4 створює опір зворотному потоку газу, забезпечуючи коефіцієнт компресії насоса. Розподіл газу, що відкачують, й робочої пари здійснюється у камері 5 у процесі конденсації робочої пари на охолоджених поверхнях, після чого газ, що відкачують, виходить із насосу через вихідний патрубок, а пара, що сконденсувалася, проходить по трубопроводу 7 у кип’ятильник 8, де знову випаровується й по паропроводу 9 потрапляє до робочого сопла 2, забезпечуючи безперервність процесу відкачки.

Взаємодія газу, що відкачують з паровим струменем залежить від ступеня вакууму. При низькому вакуумі молекули, що перебувають у прикордонному з паровим струменем шарі, за рахунок внутрішнього тертя захоплюють інші шари газу. Такі насоси називають ежекторними.

У області високого вакууму всі молекули газу, що відкачують, які переміщуються за рахунок самодифузії, безпосередньо взаємодіють зі струменем пари, а насоси, що працюють у таких умовах, називаються дифузійними.

Розглянемо принцип дії ежекторного насоса.

Швидкість дії насоса при заданих значеннях тисків на вході у насос р2 і виході з насоса р5, а також продуктивності робочої пари G1 визначається за I – Sе - діаграмі робочої пари.

Рис. 2.12 - I - Sе - діаграма робочої пари (а), схема й робочі характеристики сопла ежекторного насосу (б)

 

Крива АВ на рис. 2.12,а визначає тиск насиченої пари робочої рідини. Із початкового стану у кип’ятильнику робоча пара (крапка 1 на кривій АВ, тиск р1, ентальпія І1; переріз 1 на схемі сопла) адиабатично розширюється й переходить у стан (крапка 2), що відповідає тиску р2 й ентальпії І2 струменя робочої пари в об’єкті, що відкачують (переріз 2). Адіабатичні процеси на I-Sе-діаграмі відповідають прямим лініям, які паралельні осі І. Закон збереження енергії для адіабатичного витікання газу, при якому робота розширення газу дорівнює прирощенню його кінетичної енергії, можна записати у вигляді

(2.11)

де ω2- швидкість парового струменя на виході із сопла у перерізі 2.

Газ, що відкачують (для простоти вважаємо, що відкачують пари робочої рідини) перебуває у стані (крапка і переріз 3) і має ентальпію І3. Змішування потоку газу, що відкачують G2 з паровим струменем за законом збереження енергії приведе до зміни швидкості

(2.12)

де ω4- швидкість суміші у перерізі 4 ( рис. 2.12, б).

У дифузорі, який розташований між перерізами 4 й 5, паро газова суміш адіабатично стискується до тиску р5, причому крапка 5, що відповідає перерізу 5, повинна лежати на кривій АВ. Це можна використати для знаходження крапки 4 графічною побудовою. У процесі адіабатичного стискання кінетична енергія струменя переходить в ентальпію, що дозволяє записати

(2.13)

З рівняння 2.11 – 2.13 можна знайти вираз для теоретичної швидкості насосу:

(2.14)

де ρ2- щільність газу у перерізі 2.

Отже, швидкість дії насосу залежить від продуктивності сопла й властивостей робочої пари. В ежекторних насосах вона лежить у діапазоні від декількох десятків до декількох тисяч літрів за секунду.

Максимальний випускний тиск не може бути більше р1- тиску робочої пари у кип’ятильнику насоса, тому у випадку паромасляного насоса воно не перевищує (1-5)∙10 Па, а для парортутного – (20-40)∙102Па. Збільшити максимальний випускний тиск паромасляного насоса не можна, тому що температура пари у кип’ятильнику обмежується температурою розкладання масла.

У паро-ртутних насосах принципово можливе підвищення максимального випускного тиску впритул до атмосферного, але через більші втрати й токсичність ртуті цього зазвичай не роблять.

Граничним залишковим тиском ежекторного насосу є тиск переходу із середнього у високий вакуум, коли відбувається розширення парового струменя й порушення оптимального режиму роботи. Величина граничного тиску становить 10-1-10-2Па.

Розміри сопла можна знайти, задаючись значенням його продуктивності G1 по робочій парі. Критичне відношення тисків:

Вираз для максимальної продуктивності сопла:

(2.15)

де р1- тиск пари у кип’ятильнику; V1-питомий об’єм у кип’ятильнику; Асmin – мінімальний переріз сопла.

Звідки можна знайти мінімальний переріз сопла:

(2/16 )

Вихідний переріз 2 надзвукового сопла Ас2 може мати більшу площу поперечного переріза, що знайдеться безпосередньо з рівняння (2.11) з урахуванням того, що ; V2- питомий об’єм пари на виході із сопла. Маємо

 

При витіканні струменя пари у високий вакуум, відбувається її розширення за рахунок теплових швидкостей молекул. У випадку рівностей швидкості витікання струменя й швидкості звуку вона виходить із сопла під кутом 450 до його осі (рис. 2.13). Тиск пари у струмені значно більше, ніж тиск газу, що відкачують. Найкращі умови для захоплення

молекул газу, що відкачують тоді, коли тиск пари в струмені відповідає

 

Рис. 2.13 Сопло дифузійного насосу

 

середньому вакууму. При цьому всі молекули газу, що відкачують проникають у паровий струмінь при першому зіткненні. При більшій щільності парового струменя ймовірність захоплення молекул знижується.

Теоретична швидкість дії дифузійного насосу у зв׳язку з малою кількістю пари, що відкачують, визначається не зміною термодинамічних характеристик парового струменя, як у випадку ежекторного насосу, а геометричними розмірами сопла й парціальним тиском газу, що відкачують у паровому струмені:

де А- проекція поверхні парового струменя, доступної для молекул газу, що відкачують, на площину, яка перпендикулярна осі x; Nq1 й Nq2- кількість молекул газу, що відкачують, які вдаряються й вилітають в одиницю часу з одиниці площі А; n- концентрація газу на вході у насос.