2.2 Плунжерные вакуумные насосы (нвз)

Плунжерные вакуумные насосы (для заводской маркировки принято обозначение НВЗ – насос вакуумный золотниковый) применяется для откачивания воздуха, неагрессивных газов, паров и парогазовых смесей, предварительно очищенных от механических загрязнений. Это насосы с масляным уплотнением. Предельное остаточное давление, создаваемое насосами 1,0¸0,1 Па; быстрота действия в пределах рабочего давления от 20 до 500 л/с. НВЗ используются, как правило, в качестве форвакуумных для высоковакуумных насосов.

Конструктивная схема плунжерного насоса показана на рис. 4 (далее объяснение рисунка).

На рис.5 (а и б) представлены конструктивные исполнения НВЗ-500 и НВЗ-20 с водяным и воздушным охлаждением соответственно. На рис. 6 показана схема действия плунжерного насоса.

Характеристики плунжерного насоса

Остаточное давление. Для механических насосов с масляным уплотнением для эксплуатационщиков большой интерес представляет значение остаточного давления, т.е. суммарное давление остаточных газов и продуктов, выделяющихся из масла ,циркулирующего в насосе. Масло находится в виде пленки в рабочей камере. Масло, выброшенное их камеры через клапан, находится под воздействием атмосферного воздуха, поглощает газы, снова поступает в рабочую камеру насоса, загрязняя ее и откачиваемый объем (вакуумную систему).

Быстрота действия (откачки). На рис 7 показано изменение объема рабочей камеры от угла поворота ротора, т.е. , но , т.е. это мгновенная геометрическая быстрота откачки (S_г).. Действительная быстрота действия , где l_н - коэффициент подачи. Он позволяет оценить конструкцию насоса с точки зрения потерь быстроты откачки.

Откачка конденсируемых паров

В стендовой практике при подготовке к испытаниям технологических систем применяется вакуумная сушка. Этот технологический процесс связан с откачкой влагосодержащих сред посредством механических насосов с масляным уплотнением (типа НВЗ). При достижении Р_s при температуре работающего насоса (~60°С) начинается процесс конденсации пара (данного вещества) и дальнейшее повышение давления в рабочей камере насоса не происходит. Открытие выпускного клапана происходит вследствие гидравлического удара конденсата и масла, находящихся в рабочей камере, о тарель клапана. Конденсат, образующийся при сжатии, попадая вместе с маслом в откачиваемый объем, испаряется и резко увеличивает величину полного остаточного давления, достигаемую насосом, загрязняет (замасливает) откачиваемый объем.

Отметим, что большинство встречаемых в практике жидкостей имеет давление насыщенных паров при комнатной температуре несколько мм рт.ст. и выше. Таким образом, конденсат может образоваться только в механических насосах с масляным уплотнением, т.е. при большой степени сжатия. В двухроторных насосах, где степень сжатия много меньше, пары не конденсируются и проходят через эти насосы, т.е. откачиваются, беспрепятственно. (Пояснить на Р – Т диаграмме).

Рассмотрим процесс сжатия в камере механического насоса в случае откачки двухкомпонентной парогазовой среды. Начальные параметры. Р_г – парциальное давление неконденсируемого газа в смеси на входе в насос; Р_п – парциальное давление пара в смеси на входе в насос; Р_s – давление насыщенного пара при температуре работающего насоса; Р_в – давление выхлопа (атмосферное давление) ; e - степень сжатия смеси в момент начала выхлопа.

Для выхлопа нужно достичь степени сжатия: Р_в = eР_г + Р_s, т.е.

(1)

Процесс конденсации начинается при достижении e_кР_п = Р_s ,

т.е. (2)

Если e_к > e_max , то конденсация не произойдет, если e_к < e_max , то в камере насоса начнется конденсация и количество конденсата будет увеличиваться вплоть до выхлопа. Долю сконденсировавшихся паров можно определить так

(3)

Зависимость (3) выводится на основе PV = mRT.

При выхлопе несконденсировавшиеся пары пройдут через масло, конденсат останется в масле. Накопление конденсата в масле ухудшает свойства масла, а значит и характеристики насоса. Для предотвращения ухудшения характеристик механического насоса с масляным уплотнение при откачке конденсируемых паров имеются два способа:

• удаление конденсата из насоса;

• предотвращение конденсации паров в насосе.

Удаление конденсата из масла происходит в «насосах с обновлением масла».

Наиболее выгодным и удобным способом предотвращения конденсации паров в насосе является напуск определенного количества неконденсируемого (балластного) газа в рабочую камеру насоса после отделения ее от откачиваемого объема. Минимально необходимое количество балластного газа определяется из условия, чтобы к моменту выхлопа, когда достигается наивысшее давление, парциальное давление конденсирующихся паров в рабочей камере было бы меньше давления их насыщения при температуре насоса.

Определим минимальное количество балластного газа для откачки двухкомпонентной парогазовой смеси с конденсируемой паровой фазой, приняв дополнительные обозначения: S – быстрота откачки насоса, л/с; Q_б – количество балластного газа, л×мм рт.ст./с; e_д – допустимая степень сжатия смеси в насосе, при которой конденсация еще не происходит; Р_б – парциальное давление балластного газа в камере насоса в момент выхлопа, мм рт.ст.

По закону Дальтона: Р_в = Р_б + (Р_г + Р_п)e_д , (4)

где

Р_п×e_д£ Р_s .

Преобразовав (4), получим

, (5)

здесь - давление балластного газа, эквивалентное его давлению на входе в насос. Это справедливо для изотермического сжатия в рабочей камере насоса. Т.е. это то давление балластного газа ,которое бы он имел, если бы он засасывался совместно со всей смесью из откачиваемого объема, т.е.

или с учетом (5)

(6)

Для откачки только конденсирующихся паров, т.е. при Р_г = 0 (чистый пар),

(7)

На рис.8 представлен график, построений по уравнению (6) для случая откачки паров воды и позволяющий определить необходимое для полного предотвращения конденсации количества балластного газа на 1 л/с быстроты откачки насоса в зависимости от нагрузки на насос.

На рис. 9показана диаграмма работы газобалластного насоса.