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 S_i 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 S_н, ефективною швидкістю відкачки об’єкта S_еф 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 S_н = U з (2.8) одержимо, що S_еф = 0,5S_н. Якщо U→ ∞, то S_еф→ S_н, при U→ 0 виходить, що S_еф→ 0.

Запроваджуючи в основне рівняння коефіцієнт використання насосу K_в, 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 р_пр – 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 р_м – 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 р_б – 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 р_в – 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 насоси або 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 р_в≈ 2∙10⁵ Па. При випускних тисках, більших р_в, порушується герметичність масляного ущільнення у зазорах насоса й спостерігається різке погіршення граничного тиску. При випускному тиску, менше р_в, 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 – S_е - діаграмі робочої пари.

Рис. 2.12 - I - S_е - 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-S_е-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; А^с_min – мінімальний переріз сопла.

Звідки можна знайти мінімальний переріз сопла:

(2/16)

Вихідний переріз 2 надзвукового сопла А^с₂ 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; N_q1 й N_q2- кількість молекул газу, що відкачують, які вдаряються й вилітають в одиницю часу з одиниці площі А; n- концентрація газу на вході у насос.