2.27 Криогенные насосы

П ринцип действия криогенных насосов основан на эффекте физической адсорбции газа развитой поверхностью адсорбента. Эффект адсорбции может быть значительно увеличен путем понижения температуры адсорбента. Если для этого использовать жидкий азот, то адсорбент поглощает атмосферный воздух и остальные газы, имеющие точку конденсации выше, чем у азота. Если в качестве охлаждающего агента применить жидкий водород, то адсорбционный насос может быть использован для откачки газообразного водорода. Адсорбционные насосы с успехом применяются в качестве насосов предварительного разрежения при необходимости осуществления безмасляной откачки, при этом существенно улучшаются условия труда, так к ак устраняются шум и вибрации.

Работа высоковакуумных адсорбционных насосов основана на свойстве адсорбентов поглощать при охлаждении значительное количество газов при малом равновесном давлении над ними. Предельный вакуум адсорбционных насосов прежде всего зависит от сорбционной емкости употребляемых сорбентов, которые определяются изотермами адсорбции в рабочем диапазоне температур.

Нижняя кривая на рис. 2.53 показывает зависимость количества адсорбированного газа над углем, охлажденным до температуры жидкого азота (80° К) от равновесного давления [10]. Характерно, что в области малых давлений (от1.3310^-5 Па до 1,3310^-6 Па) равновесное давление устанавливается очень медленно (больше суток), при этом совсем незначительное увеличение количества адсорбированного газа вызывает сильное увеличение равновесного давления. При более высоких давлениях (начиная с 1,3310^-2 Па.) характер процесса изменяется: равновесное давление устанавливается довольно быстро, и увеличение количества адсорбированного газа не вызывает столь значительного изменения равновесного давления.

Максимальная адсорбция водорода у охлажденного до температуры 80° К угля наблюдается в диапазоне давлений 1,3310^-6 Па-1,3310^-8 Па и далее растет незначительно. Это позволяет успешно использовать угольный насос для получения форвакуумных давлений при откачке водорода.

Верхняя кривая на рис. 2.54 показывает зависимость количества адсорбированного газа над углем, охлажденным до температуры кипения жидкого водорода (20,4° К) от равновесного давления. Как видно из этой кривой, количество адсорбированного газа в широком интервале давлений практически неизменно.

К роме активированного угля и силикагелей, в качестве сорбента в адсорбционных насосах все чаще применяют цеолиты. Это объясняется тем, что воздух поглощается цеолитом (5А, 10Х, 13Х) лучше, чем другими пористыми сорбентами [10]. Природные цеолиты представляют собой алюмосиликаты натрия, кальция и бария. Обычно это кристаллическое вещество типа Na₂AI₂О₃ n SiO₂ Н₂О. После прогрева цеолита кристаллическая вода удаляется без существенного изменения кристаллической структуры, благодаря чему во много раз увеличивается пористость материала. Следует отметить, что цеолиты обладают большим постоянством и воспроизводимостью сорбционных свойств, причем каждый вид цеолита обладает порами одинакового диаметра. Благодаря этому цеолиты имеют селективный характер поглощения молекул различных газов и получили название молекулярных сит. Размеры пор у различных видов цеолитов лежат в пределах от 4 до 10 (в то время как у активированного угля они достигают 50 ).

Зная сорбционную емкость адсорбента и газовые нагрузки при откачке, можно, задаваясь сроком непрерывной службы насоса, приближенно определить необходимое количество адсорбента при проектировании насоса.

Одна из типичных конструкций разборного адсорбционного насоса, использующая охлажденный жидким азотом активированный уголь, показана на рис. 2.55 Откачивающим элементам насоса является цилиндрическая полость 1, внутри которой находится слой угля 2, помещенный между двумя сетками. Установлено, что оптимальное отношение входного диаметра цилиндрической полости к ее длине должно сохраняться приблизительно 1:3. Снаружи эта полость охлаждается жидким азотом 3. В стационарных условиях расход азота составляет 0,3—0,4 л/ч (при скорости откачки около 500 л/сек), а так как емкость сосуда, в который он заливается достигает нескольких литров, то практически эти насосы могут работать длительное время без долива жидкого азота. Входное отверстие рабочей полости насоса закрыто охлаждаемым жалюзийным экраном 4, что дает возможность поддерживать температуру угля на открытом конце цилиндрической полости до температуры, близкой к температуре жидкого азота, предотвращая нагрев угля за счет излучения теплых стенок наружной оболочки насоса.

Кроме того, для уменьшения расхода жидкого азота за счет излучения со стенок корпуса насоса используется полированный алюминиевый экран 5. Внутри откачивающей полости на изоляторах помещен ленточный нагреватель 6, предназначенный для радиационного прогрева угля с целью его регенерации. Для прогрева корпуса насоса с целью его обезгаживания используются спиральные нагреватели 7 из нихромовой проволоки, заключенной в стекловолокно. В нижней части насоса расположен патрубок 8, предназначенный для откачки рабочей полости до форвакуумного давления, которое необходимо для регенерации угля.

В начальный период рабочий объем установки и адсорбционный насос предварительно откачиваются вращательным насосом и только после этого в адсорбционный насос заливается жидкий азот. При этом в течение нескольких минут давление в откачиваемом объеме быстро падает до 1,33 10^-4 Па, причем создаваемый насосом предельный вакуум может быть еще ниже, однако по мере возрастания количества поглощенного углем газа предельный вакуум постепенно ухудшается. Следует иметь в виду, что адсорбционный насос, охлаждаемый жидким азотом, плохо откачивает неадсорбирующиеся газы (водород, неон, гелий). В том случае, когда при работе вакуумной системы выделяются эти газы, необходимо дополнительно использовать вспомогательный пароструйный насос с небольшой скоростью откачки.

Х арактерно, что адсорбционный насос одновременно является течеискателем. Когда в вакуумную систему, которая откачивается только одним адсорбционным насосом, извне попадает водород, неон или гелий, то стрелка вакуумметра резко отклоняется. Это позволяет искать течи путем обдувания пробным газом подозреваемых в негерметичности мест установки.

Теоретически быстрота действия адсорбционного насоса по воздуху равна 11,7 S, л/сек (S—площадь входного отверстия открытого конца цилиндрической полости,см²). Практически быстрота действия насоса меньше этой величины, что объясняется тем, что не все молекулы остаточных газов поглощаются углем, а часть из них отражается сеткой, поддерживающей уголь. Быстрота действия адсорбционного насоса может достигать нескольких сотен литров в секунду и возрастает с ростом давления в откачиваемой системе.

Начальное давление адсорбционного насоса по сути дела ничем не ограничивается, и он может начать свою работу с атмосферного давления. Однако при этом поры адсорбента быстро заполняются влажным воздухом, и, поглотив определенное количество газов, насос достигает насыщения и прекращает свою работу, обеспечивая сравнительно невысокое разрежение в откачиваемом объеме, поскольку равновесное давление газов над адсорбентом зависит от количества поглощенного им газа.

Для того чтобы повысить предельный вакуум адсорбционного насоса, удаление основной массы воздуха из больших объемов желательно производить водоструйным насосом, обеспечив с его помощью предварительное разрежение около5,32 10³Па (во избежание миграции паров воды в разрежаемый объем откачивать его до давлений, близких к предельному давлению водоструйного насоса, не рекомендуется). При последовательной откачке разрежаемого объема несколькими адсорбционными насосами удается получить предельное разрежение 1,3310^-4 и ниже. При этом следует иметь в виду, что если вышеуказанные сорбенты жадно поглощают основные компоненты воздуха и водяной пар, то инертные газы поглощаются им значительно хуже. В связи с этим относительное содержание инертных газов (в особенности аргона) в объеме, откачиваемом цеолитовым насосом, заметно повышается. Что касается водорода и гелия (имеющих очень низкую точку кипения), то охлаждаемый жидким азотом адсорбционный насос их вообще не поглощает.

Поскольку цеолитовые и угольные насосы обладают ограниченной сорбированной емкостью, то по мере того, как наступает насыщение, они должны быть отключены от вакуумной системы, после чего сорбент может быть подвергнут регенерации. Чтобы при этом не нарушать непрерывность процесса откачки, обычно пользуются не одним, а двумя или даже большим числом адсорбционных насосов. Когда один из них проходит регенерационный цикл, другой насос подключается к откачиваемому объему.

Регенерация насоса начинается с того, что прекращается охлаждение сорбента. При этом сорбент, постепенно нагреваясь до комнатной температуры, начинает интенсивно выделять ранее поглощенные им газы. Для того чтобы в сосуде с сорбентом не создалось опасное избыточное давление, он сообщается с атмосферой с помощью крана или автоматически срабатывающего предохранительного клапана. Однако при комнатной температуре не происходит полной регенерации сорбента, так как при этом он не только не отдает ранее поглощенные пары воды, но сам жадно поглощает пары, содержащиеся в атмосферном воздухе. Для освобождения пор цеолита от влаги его необходимо 1—2 часа прокалить при температуре 350—560°С с одновременной откачкой. Для регенерации угля достаточно прогревать его до температуры 100—150° С при непрерывной форвакуумной откачке. После окончания регенерационного цикла насос может быть вновь использован для откачки вакуумной системы.

Основным достоинством адсорбционных насосов является простота устройства и отсутствие загрязнения откачиваемого объема парами или продуктами разложения рабочей жидкости, однако они требуют непрерывного охлаждения до низких температур. Сравнительные характеристики насосов безмасляной откачки приведены в таблицах

Таблица 2.8

Характеристики магниторазрядных насосов

Основные характеристики						Типы насосов
						НМД-0,0063			НМД-0,025			НМД-0,063			НМД-0,1		НМД-0,25	НМД-0,68	НМД-1
Диапазон рабочих давлений, Па						410-7... 210-1			410-7... 210-1			410-7... 210-1			410-7... 210-1		410-7... 210-1	410-7... 210-1	410-7.., 210-1
Быстрота откачки, м'/с						0,006			0,022			0,06			0,11		0,25	0,65	1,20
Предельное остаточное давление, Па						710-8			710-8			710-8			710-8		710-8	710-8	710-8
Наибольшее давление запуска, Па						1100			1100			1100			1100		1100	1100	1100
Диаметр входного патруба, мм						25			100			100			100		160	250	250
Габариты насоса (длина х щирина х высота), мм						85 80 160			157 84 220			320 106 320			320 180 320		320 327 340	500 350 580	554 500 580
Масса насоса, кГ						2,9			8,4			21			32		53	190	290
Тип блока питания						БП-0,0063			БП-0,025			БП-0,063			БП-0,1		БП-0,25	БП-0,63	2ХБП-0.63
Габариты блока питания (длина х ширина х высота), мм						480 300 220			480 300 220			480 320 300			480 320 300		480 320 300	480 320 300	480 320 600
Масса блока питания, кг						21			20			37			35		47	47 2 х 47

Таблица 2.9 –Характеристики криоадсорбционных насосов

основные ххарактеристикиарактеристики	Типы насосов
характеристики	ЦВН-0,1-2	ЦВН-0,3-2	ЦВН.1.2	ЦВН-1,5.3
Диапазон рабочих давлений, Па	5100…105	5101…105	5100…105	1101…105
Быстрота откачки, м2/с	0,002	0,004	0,006	0,010
Остаточное давление, Па	1100	7100	1102	3103
Количество азота, отка-
чиваемое при остаточном давлении, м3 Па	1103	3103	1104	1104
Расход жидкого азота
для начального охлажде-
ния, дм3	1,3	2	6	6
Расход жидкого азота в
установившемся режиме, дм'/ч	0,25	0,35	0,25	0,5
Количество адсорбента, кг	0,1	0,3	1	1,5
Время регенерации цеолита СаА-4в при атмосферном давлении, ч	3	2	3	3
Мощность нагревателя, кВт	0,4	0,14	0,83	0,35
Габариты (длина х ширина х высота), мм	192 х192 390	—	124 х124 390	—
•Масса, кг	1,3	—	4,2	—