Теоретические сведения. При давлениях от 0,1 до 10-5 Па и ниже удаление газов из объема механическими насосами с масляным уплотнением осуществить невозможно

При давлениях от 0,1 до 10^-5 Па и ниже удаление газов из объема механическими насосами с масляным уплотнением осуществить невозможно. Здесь используются диффузионные пароструйные насосы, удаляющие газы за счет направленного действия струй пара. Однако пароструйные насосы не могут работать самостоятельно, а всегда составляют единый агрегат с насосом предварительного разряжения (часто с механическим насосом с масляным уплотнением). Схема простейшего диффузионного пароструйного насоса показана на рис. 2.1.

1. рабочая жидкость; 2. паропровод; 3. сопло; 4. выпускной патрубок; 5. рубашка водяного охлаждения

Рис. 2.1. Схема устройства простейшего диффузионного насоса

Рабочая жидкость, заливаемая в корпус насоса нагревается на кипятильнике (испарителе) I, поступает через паропровод 2 в сопло 3 и выходит из него в виде струи во сверхзвуковой скоростью). Молекулы откачиваемого газа увлекаются в кольцевой затвор между соплом и корпусом и переносятся этой струёй к выпускному патрубку 4. Смесь рабочего пара с газом поступает на охлаждаемую стенку холодильника 5, при этом пар конденсируется на ней, а молекулы откачиваемого газа продолжают свое движение в сторону выпускного патрубка 4, откуда удаляются форвакуумным насосом. Конденсат рабочей жидкости со стенок холодильника стекает вниз в кипятильник I и вновь включается в рабочий цикл насоса.

Принцип захвата молекул откачиваемого газа струей масляного пара зависит от формы сопла и камеры, а также от области рабочих давлений сопла в современных насосах бывают двух типов: эжекторные и диффузионные.

Рис. 2.2. Схема работы пароструйных сопел: а) эжекторного; б)диффузионного

1 - сопло; 2 – “граница” струи пара; 3 – теплоизолированная зона смешения (переноса); 4 – охлаждаемая часть рабочей камеры (конденсатор)

Действие эжекторного сопла (рис. 2.2, а) состоит в том, что выходящая из сопла струя пара, перемещаясь с большой скоростью \/_n , увлекает за собой частицы газа по границе соприкосновения за счет вязкости (внутреннего трения газа). Это явление имеет место при впускных давлениях I Па. При снижении давления откачиваемых газов механизм действия сопла изменяется.

В связи с увеличением длины свободного пробега молекул газа может происходить диффузия частиц газа на значительную глубину в струю пара. (рис. 2.2, б). При этом струя должна быть

менее плотной, чем в первом случае. Диффузия газа происходит под действием разности его парциальных давлений в пространстве около и в самой струе. Это явление имеет место при давлениях ниже 0,1 Па. В современных насосах чаще применяется зонтичные (обращенные) конструкции диффузи­онных сопел, как это показано на рис .2.1. Эффективность действия диффузионного сопла определяется скоростью движения струи пара, ее направленностью относительно охлажденной стенки, площадью минимального сечения кольцевого зазора между стенкой насоса и соплом, а также полнотой конденсации пара на охлажденной стенке.

Диффузионные сопла могут обеспечить получение вакуума до 10^-5 Па и выше при быстроте действия до 10 м³/с, но нуждаются в тщательном предварительном разряжении. Поэтому современные высоковакуумные пароструйные насосы делают многоступенчатыми. В зависимости от назначения пароструйных насосов в них могут быть применены диффузионные или эжекторные, а в некоторых случаях одновременно и те и другие сопла.

Схема насоса с тремя диффузионными соплами показана на рис .2.3. Пар рабочей жидкости из испарителя. 4 поступает из концентрично расположенных паропроводов к рабочим соплам насоса. Входное (верхнее) сопло, которое питается паром из центрального паропровода 7, практически определяет величину предельного давления и максимальную скорость откачки. Зазор между входным соплом I и корпусом 9 делается максимально возможным. Последующие ступени насоса имеют меньший зазор между соплом и корпусом, что обеспечивает необходимый коэффициент сжатия откачиваемого газа. Конструкция последней ступени (выходной) 3 определяет величину наибольшего выпускного давления, которое для большинства пароструйных насосов не превышает 26 Па. Стекающий по охлажденным станкам корпуса 9 конденсат попадает в испаритель (нагреватель), выполненный в виде лабиринта.

Рис. 2.3. Схема пароструйного насоса Н-5

1 – высоковакуумное сопло; 2 – среднее сопло; 3 – низковакуумное сопло;

4 – нагреватель; 5 – выпускной патрубок; 6 – впускной патрубок; 7 – корпус; 8 – паропровод тяжелой фракции; 9 – паропровод легкой фракции

По мере прохождения к центру внутреннего паропровода масло теряет наиболее легколетучие фракции, обладающие большим давлением насыщенных паров. Таким образом, верхнее сопло 1 будет работать на фракциях масла, имеющих

наименьшее давление насыщенного пара, среднее сопло 2 - на средних фракциях, нижнее сопло 3 - на легких, имеющих наименьшую температуру кипения.

Предельный вакуум, быстрота действия и другие пара­метры пароструйных насосов зависят от рода откачиваемого газа, конструкции сопел, мощности нагревателя и, в первую очередь, от свойств рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости в пароструйных насосах применяют ртуть, вазели­новые масла (BM-I, ВМ-5), кремний - органические масла (ПФМС-1, ПФМС-2) и др.

Показанный на рис. 2.3. насос Н-5 имеет все три диффузионных сопла и обладает следующими техническими данными. Быстрота действия при давлениях от 2,7*10^-2 до 10^-5 Па составляет 0,5 м³ /с, при этом предельный вакуум, созда­ваемый насосом на масле BM-I, равен 4*10^-4 Па. Наибольшее выпускное давление составляет 26 Па. В насос завивается 500 см³ масла. Расход охлаждающей воды равен 0,12 м³/ч. Рекомендуемые механические форвакуумные насосы РВН-20 или ВН-2. Мощность нагревателя в испарителе равна I кВт.

На рис. 2.4 представлена схема пароструйного насоса ЦВЛ-100. Насос предназначен дня откачки воздуха и других газов, не воздействующих на материалы конструкции и масла марок BM-I или BМ-5 (ГОСТ 7904-56), применяемые для работы насоса. В корпусе 9 трехступенчатого насоса, охлаждаемого водой, установлены два диффузионных сопла I и 2 и эжекторное сопло 3, необходимое для увеличения максимального давления. Газ, сжатый струёй эжекторного сопла, откачивается форвакуумным насосом через выпускной патрубок 8. Быстрота действия насоса при откачке воздуха в интервале давления от10^-3 до 2,6*10^-4 Па составляет 0,1 м³ /с. Предельный вакуум на масле BM-I равен 4*10^-4 Па. Наибольшее выпускное давление 13 Па. В насос заливается 75 см масла. Расход охлаждающей воды составляет

0,05 м3 / ч. Рекомендуется форвакуумный насос ВН-461М. Мощность нагревателя кипятильника составляет 450 Вт.

Рис. 2.4. Схема пароструйного насоса ЦВЛ-100

1 – высоковакуумное сопло; 2 – среднее сопло; 3 – эжекторное сопло;

4 – паропровод тяжелой фракции; 5 – паропровод средней фракции;

6 – нагреватель; 7 – камера смешения; 8 – выпускной патрубок;

9 – водоохлаждаемый корпус; 10 –впускной патрубок

Для нормальной работы пароструйного насоса стенки его корпуса необходимо охлаждать. Чаще всего применяют два способа охлаждения: с помощью водяной рубашки корпуса и с помощью змеевика из медной трубки, напаянного на корпус. Система охлаждения конструируется так, чтобы поддержать в рабочем состоянии температуру стенок существенно меньше температуры конденсации рабочей жидкости. Для масляных насосов эта температура не должна превышать 28-30°С. При увеличении температуры стенок в результате недостаточного охлаждения насоса происходит перегрев масла, увеличивается скорость его разложения (крекинга), возрастает скорость диффузии масляных паров в откачиваемый объем, ухудшается предельный вакуум.

В качестве рабочей жидкости необходимо использовать масла, обладающие еще и способностью к восстановлению рабочих характеристик после аварийного прорыва атмосферного воздуха в рабочую камеру насоса, т.к. при соприкосновении горячего масла с воздухом происходит его окисление и разложение, что ухудшает характеристики насоса.

Как уже указывалось выше, первое сопло диффузионных насосов со стороны высокого вакуума (в откачиваемом объекте) определяет быстроту действия насоса. Идеальная быстрота действия определяется площадью кольцевого зазора между первым соплом и корпусом насоса. Это сопло обеспечивает расчетную производительность, но с малым перепадом давления газа между входом и выходом на первой ступени. Последующие ступени производят откачку о меньшей быстротой, но зато перепад давлений на них соответственно увеличивается до величины максимального выпускного давления (не превышающего 26 Па). Определим идеальную быстроту действия, в предположении, что все молекулы, подлетевшие к кольцевой щели между первым соплом и корпусом насоса, захватятся и унесутся струёй масла. Для приближенного расчета быстроты действия диффузионного насоса вначале запишем его производительность как

Q=Q_пр- Q_обр , м³Па/с, (2.1)

где прямой поток Q_np = V₁Fp , (2.2)

обратный поток Q_обр = V₁Fp_обр (2.3)

V₁ - объем газа, ударяющегося о единицу поверхности в единицу времени м³ /с;

р - давление откачиваемого газа у входа в насос, Па;

p_обр -. обратное давление в центре струи откачиваемого газа, Па;

F - площадь входной диафрагмы насоса, через которую газ подходит к струе, м³:

F= (2.4)

D_k - внутренний диаметр корпуса насоса, м; d_c -наружный диаметр сопла, м.

Как известно, величина V₁ зависит от среднеарифме­тической скорости теплового движения молекул u_ар:

V₁ = , м³/(с ^. м²) (2.5)

где R. = 8,31 кДж/(К кмоль) - универсальная газовая посто­янная;

Т - абсолютная температура (К);

М - молекулярная масса газа.

При значении впускного давления, равном предельному р', быстрота откачки равна нулю, тогда из (2.1), (2,2), (2.3)

V₁F_p ^/= V₁Fp_обр.; p_обр. = р'. (2.6)

Для определения идеальной быстроты откачки необходимо выражение (2.1) разделить на р, что с учетом (2.6) дает

S_н = , м³/с. (2.7)

С учетом (2.5) и поправки на число отраженных от сопла молекул газа получаем

, (2.8)

где - фактор качества насоса, учитывающий количество отраженных молекул, » 0,3.

Каждую ступень пароструйного диффузионного насоса можно рассматривать как самостоятельная насос. Между ступенями выполняются условия согласования (поток газа Q в любом поперечном сечении рабочей камеры насоса при его установившемся режиме работы должен быть постоянным):

Q=S р_вп = S₂p_вп2 = S₃p_вп3; p_вып1 > p_вып2; p_вып2 > p_вып3,

где S₁, S₂, S₃ - быстрота откачки на входах в соответствующие ступени;

p_впi , p_выпi соответственно давления перед и за i-ой ступенью.