Вакуумные насосы

В зависимости от вакуума, который необходим для технологического процесса вакуумной плавки (см. рис. 93), и от количества и состава откачиваемых газов (паров) применяют те или иные вакуумные насосы или системы вакуумных насосов.

Вакуумные насосы откачивают газ в результате механического перемещения газа при периодическом изменении объема рабочей камеры насоса (объемные насосы), путем увлечения струей жидкости, пара или газа (струйные насосы) или непрерывно движущимися твердыми поверхностями (турбомолекулярные насосы), а также связывания молекул газа путем сорбции^* (сорбционные насосы) или конденсации на охлаждаемых поверхностях (конденсационные насосы).

Объемные и турбомолекулярные насосы являются механическими вакуумными насосами, откачивающее действие которых связано с механическим движением (вращательным, возвратно-посту-пательным или комбинированным) рабочих частей насоса (лопатки рабочего колеса ротора, радиальные пластины, два профильных ротора, статорные и роторные диски с радиальными каналами, поршень и т.п.). Струйные насосы в зависимости от агрегатного состояния рабочей жидкости и механизма взаимодействия откачиваемого газа и струи могут быть пароводяными или паромасляными эжекторными^**, в которых струя увлекает газ в результате турбулентного перемешивания (турбулентно-вязкостный захват); паромасляные диффузионные, в которых происходит диффузия молекул откачиваемого газа в струю пара, где они, сталкиваясь с молекулами пара, приобретают составляющую скорости в направлении движения пара.

По условиям работы различают вакуумные насосы с выхлопом откачиваемых газов при атмосферном давлении (большинство объемных насосов и эжекторные насосы, создающие давление 0,1...1 Па) и насосы, для работы которых на выхлопе необходимо создать пониженное давление – форвакуум^*** (двухроторные и турбомолекулярные механические насосы, бустерные и диффузионные струйные насосы).

Для откачки больших объемов и поддержания низкого вакуума (например, в установках для внепечного вакуумирования жидкой стали) применяют вращательные многопластинчатые (типа РВН) или водокольцевые (типа ВВН) насосы, обладающие большой быстротой действия (0,1...1 м³/с). При эксцентричном вращении ротора образуются откачные радиальные полости переменного сечения между подвижными пластинами, установленными в пазах ротора РВН, или между лопастями ротора ВВН и кольцевым объемом воды, отбрасываемой центробежными силами к периферии корпуса насоса. Насосы типа ВВН просты в эксплуатации и обеспечивают откачку паров воды и газов, содержащих твердые частицы. Недостатком насосов типа РВН и ВВН является предельное остаточное давление порядка 10³...10⁴ Па.

Насосы типа ВВН иногда применяют в качестве безмасляного форвакуумного насоса.

В механических объемных насосах среднего вакуума зазоры между входным (впускным, всасывающим) и выходным (выпускным, выхлопным) патрубками и все так называемые вредные пространства, из которых откачиваемый газ вытесняется при работе механизма насоса, заполняют специальным вакуумным маслом марки ВМ-6, имеющим низкое давление насыщенных паров, высокую термическую стойкость и малую склонность к растворению паров воды и образованию масляно-водяной эмульсии. Такое масляное уплотнение предотвращает обратное перетекание газа с выхода на вход насоса и снижает предельное остаточное давление. Кроме этого, масло обеспечивает смазку и частичное охлаждение механизма насоса.

Недостатком насосов с масляным уплотнением является опасность порчи масла вследствие попадания из откачиваемого сосуда паров, конденсирующихся в условиях сильного сжатия откачиваемого газа, когда соотношение объемов всасываемого и выбрасываемого газа достигает 700. Попавший в масло конденсат вновь испаряется в камере насоса и увеличивает полное остаточное давление.

Эффективным способом предотвращения конденсации паров является снижение степени сжатия дозированным напуском в рабочую полость насоса неконденсирующегося, так называемого балластного газа (газобалластные вакуумные насосы) в добавление к поступившему в нее откачиваемому газу после отделения полости от впускного патрубка насоса. В качестве балластного газа обычно используют атмосферный воздух. Количество балластного газа определяют из условия, чтобы к моменту достижения смесью давления выхлопа парциальное давление паров не достигало давления насыщения, и регулируют с помощью трехпозиционного крана-дозатора на максимальный, промежуточный и минимальный поток балластного газа. В начале откачки, когда парциальное давление паров наибольшее, устанавливают максимальную подачу балластного газа. Поскольку при работе с газовым балластом повышается вероятность проникновения воздуха в сторону впускного отверстия, полное остаточное давление в откачиваемом сосуде будет выше, чем без газового балласта, что необходимо иметь в виду при эксплуатации газобалластных насосов.

В зависимости от конструкции насосов с масляным уплотнением различают пластинчато-роторные, плунжерные и др.

В пластинчато-роторном насосе (рис. 95, а) при вращении эксцентрично расположенного ротора пластины благодаря пружинам постоянно прижимаются к цилиндрической поверхности рабочей камеры, образуя две полости переменного сечения. В полости увеличивающегося объема понижается давление и через впускной патрубок всасывается газ из откачиваемого сосуда. Полость уменьшающегося объема (полость сжатия) имеет выхлопной клапан, расположенный под слоем масла, что исключает контакт полости сжатия с атмосферой. Когда давление газа в полости станет достаточным для открытия клапана, произойдет выхлоп. Выталкиваемый сжатый газ проходит через слой масла в выпускной патрубок. При непрерывном вращении ротора откачиваемый газ всасывается поочередно в обе полости.

Недостатком таких вращательных насосов является высокая относительная скорость в местах контакта пластин с камерой, что ограничивает создание крупных пластинчато-роторных насосов. Насосы типа НВР имеют быстроту откачки до 0,04 м³/с при предельном остаточном давлении 0,5 Па.

Для получения давлений ниже 0,1 Па применяют двухступенчатые насосы (типа 2НВР), имеющие два последовательно работающих откачивающих механизма в одном корпусе. Ближайшая к откачиваемому сосуду высоковакуумная ступень создает небольшой перепад давлений (не более 0,1 Па), не имеет масляного уплотнения и в нее не попадают пары, растворенные в масле, благодаря чему и возможно достижение низких давлений.

В плунжерном насосе (см. рис. 95, б) рабочим органом служит удлиненный пустотелый поршень (плунжер) прямоугольного сечения, совершающий возвратно-поступательное движение в шарнирной направляющей и связанный с вращающимся эксцентриком цилиндрической обоймой, которая разделяет рабочую камеру также на две полости переменного сечения. Откачиваемый газ, поступающий через впускной патрубок, попадает в полость всасывания через прорезь в прямоугольной части плунжера, открывающуюся при его опускании. Одновременно в полости сжатия происходит сжатие откачиваемого газа, напуск через кран-дозатор балластного газа и выталкивание газовой смеси через выхлопной клапан, также находящийся под слоем масла.

Рис. 95. Схемы пластинчато-роторного (а) и плунжерного (б) механических насосов с масляным уплотнением: 1 – рабочая камера; 2 – пластины; 3 – ротор-эксцентрик; 4 – впускной патрубок; 5 – выпускной патрубок; 6 – масло; 7 – выхлопной клапан; 8 – кран-дозатор; 9 – поршень (плунжер); 10 – шарнир; 11 – обойма

Процесс всасывания газа через прорезь плунжера напоминает работу золотникового распределительного устройства. Поэтому плунжерные насосы также называют золотниковыми.

Откачивающий механизм плунжерных насосов ввиду небольших относительных скоростей движения плунжера в шарнирной направляющей допускает создание насосов с быстротой действия до 0,1 (средние насосы) и до 0,5 м³/с (крупные насосы). Насосы типа НВЗ имеют предельное остаточное давление 0,66 (одноступенчатые) и 0,066 Па (двухступенчатые).

Вакуумные объемные насосы с масляным уплотнением применяют при всех видах вакуумной плавки (см. рис. 94) в качестве форвакуумных перед высоковакуумными насосами, а также для вакуумирования небольших пространств в различных технологических устройствах вакуумных электропечей.

Особое место в группе механических вращательных объемных вакуумных насосов занимают двухроторные насосы. В овальной рабочей камере насоса расположены два фигурных ротора, напоминающих в сечении цифру 8 и синхронно вращающихся навстречу друг другу. Зазор 0,1...0,15 мм между роторами и стенками камеры исключает соприкосновение и, следовательно, излишнее трение, что позволяет задавать роторам большую частоту вращения (до 50 с^–1) и достигать высокой быстроты действия (0,5...1,5 м³/с) при сравнительно малых габаритах и массе насоса.

Однако зазоры создают опасность обратного перетекания откачиваемого газа, что ограничивает максимальное выпускное давление (10³ Па) и определяет необходимость последовательного подключения к двухроторному насосу форвакуумного насоса.

Двухроторные двухступенчатые насосы типа 2ДВН широко применяют в металлургии (см. рис. 93) для создания среднего вакуума в составе вакуумных агрегатов типа АВР и высокого вакуума в качестве бустерных (вспомогательных) насосов при совместной работе с высоковакуумными насосами.

Принцип действия турбомолекулярных насосов основан на сообщении молекулам разреженного газа направленной дополнительной скорости быстро движущейся твердой поверхностью. Рабочий механизм насоса образован роторными и статорными дисками толщиной несколько миллиметров. Частота вращения ротора достигает 400...500 с^-1. Молекулы, попадающие в радиальные прорези роторных дисков, помимо скорости теплового движения, приобретают дополнительную скорость, равную окружной скорости роторного диска и направленную параллельно оси насоса (при угле наклона прорезей относительно плоскости диска 20...30°). Каждый роторный и статорный диск создает небольшой перепад давлений, но благодаря большому числу пар дисков (до 19) отношение давлений на выходе из насоса и входе в насос может достигать величины 5...10. Быстрота действия турбомолекулярных насосов достигает 20 м³/с; предельное остаточное давление (при использовании форвакуумного насоса) составляет 10^–7...10^–8 Па. Эти насосы применяют для откачки высоковакуумных и сверхвысоковакуумных электропечей (например, УЭН).

Пароводяной эжекторный насос, как правило, является многоступенчатой установкой (рис. 96), работающей с выхлопом в атмосферу. Основным конструктивным элементом каждой ступени является сопло Лаваля, в которое подводят пар от заводской паровой магистрали под давлением до 1,5 МПа. На выходе сопла струя пара истекает со скоростью до 1000 м/с в камеру смешения, увлекая откачиваемый газ в результате турбулентного перемешивания в диффузор, в котором скорость потока снижается по мере его расширения. При больших значениях коэффициента эжекции в виде отношения количества откачиваемого газа к расходу пара через сопло применяют цилиндрические камеры смешения; при малых его значениях – конические, сужающиеся по мере удаления от сопла. Для уменьшения объема откачиваемой каждой ступенью парогазовой смеси между ступенями устанавливают конденсаторы для пара.

Рис. 96. Схема пароэжекторного насоса (ОС – откачиваемый сосуд; 1э...4э – эжекторы; 1к...3к – конденсаторы)

Предельное остаточное давление, создаваемое пароводяным эжекторным насосом, зависит от числа ступеней и может достигать 0,1...1 Па при быстроте действия 1...100 м³/с, что позволяет использовать этот тип вакуумных насосов для откачки крупных металлургических агрегатов (установки для внепечного вакуумирования жидкой стали в ковше, индукционные вакуумные печи).

В паромасляных вакуумных насосах (рис. 97) применяют пары специальных рабочих жидкостей с большой молекулярной массой: вакуумное масло марки ВМ-3 (М = 350 кг/моль) для эжекторных насосов, марки ВМ-1 или ВМ-5 (М = 450 кг/моль) для диффузионных насосов. Масло испаряют в кипятильнике, оборудованном нагревательным элементом сопротивления, в условиях пониженного давления, т.е. для работы паромасляного насоса необходим форвакуумный насос. Насыщенный пар масла поднимается по паропроводу и истекает в пространство рабочей камеры насоса с достаточно большой скоростью, захватывая откачиваемый газ, поступающий через впускной патрубок, и вынося его к выпускному патрубку, соединенному с форвакуумным насосом. Пар конденсируется на водоохлаждаемой стенке рабочей камеры и стекает в виде конденсата в резервуар кипятильника.

Д

Рис. 97. Схема паромасляного диффу-зионного насоса: 1 – впускной патрубок; 2 – система охлаждения; 3 – маслоотражатель; 4 – рабочая камера; 5 – паропровод; 6 – выпускной патрубок; 7 – кипятильник; 8 – нагреватель

ля предотвращения попадания паров масла в откачиваемый сосуд над верхним соплом паропровода устанавливают водоохлаждаемый маслоотражатель в виде колпачка.

Для усиления турбулентного перемешивания в паромасляных эжекторных насосах повышают плотность струи пара за счет применения легколетучего масла (для масла ВМ-3 давление пара при 293 K составляет 13...1,3 мПа), увеличения мощности и рабочей температуры нагревательного элемента, использования специальной формы сопла (см. рис. 97, позиция 3) паропровода (так называемое обращенное сопло зонтичного типа) и эжекторного сопла с диффузором (эжекторная ступень).

Паромасляные эжекторные насосы типа НВБМ, обладающие наибольшей быстротой действия (до 15 м³/с) в диапазоне давлений 10...0,1 Па, что соответствует технологическим условиям вакуумной плавки стали (см. рис. 93), широко применяют в качестве как основных откачивающих агрегатов, так и вспомогательных (бустерных^*) вакуумных насосов, обеспечивающих работу основных насосов с малым выпускным давлением. В некоторых случаях целесообразна одновременная (параллельная) работа их с механическими двухроторными или высоковакуумными (диффузионными) насосами.

Паромасляные диффузионные насосы (см. рис. 97) конструктивно схожи с паромасляными эжекторными насосами, но работают при меньших давлениях пара в кипятильнике (для масла ВМ-1 давление пара при 293 K составляет 5,3...0,26 мкПа) и с устройством для разделения рабочей жидкости на фракции с разным давлением насыщенного пара (так называемые фракционирующие, или разгоночные, насосы). Тяжелые (с низким давлением насыщенного пара) фракции направляются в верхнее сопло первой (высоковакуумной) ступени с наибольшей площадью кольцевого зазора, которое определяет быстроту действия насоса (до 79 м³/с) и предельное остаточное давление (до 50 мкПа). Легкие (с высоким давлением насыщенного пара) фракции попадают в нижнее сопло последней ступени с узким кольцевым зазором, определяя выпускное давление порядка 10...40 Па.

Основные характеристики диффузионных насосов существенно зависят от молекулярной массы и коэффициента диффузии через паровую струю откачиваемого газа, что проявляется, в частности, в повышенном парциальном давлении водорода в парах рабочей жидкости. Поток паров рабочей жидкости, поступающих в откачиваемый сосуд (так называемый обратный поток) через единицу площади впускного отверстия диффузионного насоса, может достигать 0,3...3 мг/(м³∙с). Поэтому диффузионные насосы, имеющие впускные патрубки большого диаметра (0,9...1,2 м), оснащают охлаждаемыми механическими ловушками оптически плотной конструкции, в которой входное отверстие ловушки не просматривается на плоскости ее выходного отверстия, что снижает обратный поток паров в 10⁵–10⁶ раз.

Паромасляные диффузионные насосы типа Н выпускают в виде агрегатов, укомплектованных типовыми переходными вакуумными трубопроводами с ловушками и вакуумными затворами для присоединения насоса к откачиваемому сосуду. Однако быстрота действия вакуумного агрегата примерно в четыре раза меньше быстроты действия насоса вследствие дополнительного сопротивления переходного патрубка.

Такие агрегаты в качестве самостоятельных откачных агрегатов можно применять только для металлургических процессов в области высокого вакуума, при ограниченном газовыделении (например, для переплавных процессов в УЭН). Часто высоковакуумные диффузионные насосы работают совместно (параллельно) с бустерными (паромасляным эжекторным или механическим двухроторным), причем паромасляный эжекторный насос может создавать форвакуум для диффузионного в диапазоне давлений, когда быстрота действия соответствующего форвакуумного механического насоса с масляным уплотнением практически близка к нулю (10...0,1 Па).