1.6 Характеристика вакуум-насосов
Быстрота действия или скорость откачки. Она определяется объемом газа, проходящим через сечение выпускного патрубка вакуумного насоса при данном давлении р. С изменением давления в системе изменяется и скорость откачки насосов. Характер зависимости скорости откачки от давления определяет целесообразность использования тех или иных насосов в требуемом диапазоне давлений. Максимальное выпускное давление, т е. предельное давление на стороне выпускного патрубка вакуумного насоса, превышение которого приводит к возрастанию давления на стороне впускного патрубка. Насосы некоторых типов не могут выбрасывать откачиваемый газ в атмосферу, и для обеспечения их нормальной работы необходимо со стороны выпуска создавать предварительный вакуум (форвакуум) другими насосами. Предельный вакуум, т. е. минимальное давление, которое может быть достигнуто данным вакуумным насосом. Принцип работы насосов разных типов в значительной мере определяется характером течения газов в диапазоне рабочих давлений насоса. В зависимости от степени разрежения течение газа может происходить в турбулентном, инерционном, вязкостном, молекулярно-вязкостном или молекулярном режимах. В начальный момент откачки газовый поток характеризуется большой скоростью течения и наличием завихрений, т. е. его течение происходит в турбулентном режиме. С уменьшением давления и скорости течения завихрения исчезают, а режим течения определяется силами инерции газовой среды, вследствие чего его называют инерционным. При дальнейшем понижении скорости течения инерционный режим переходит в вязкостный. При этом режиме газ у стенок почти не движется, а по мере удаления от стенок слои газа скользят друг относительно друга. Скорость потока в этом случае достигает максимума в центре трубопровода. Силами, определяющими характер движения такого потока, являются силы вязкости газа. В области низких давлений, когда длина свободного пробега молекул становится соизмеримой с диаметром трубопровода, молекулы перемещаются, почти не взаимодействуя друг с другом. При этом влияние внутреннего трения (вязкости) пропадает и поток движется в молекулярном режиме. В переходном от вязкостного к молекулярному режиме наряду с внутренним трением газа происходит и независимое (друг от друга) движение молекул. В зависимости от диапазона давлений, в пределах которого достигается максимальная производительность, вакуумные насосы подразделяют на форвакуумные, высоковакуумные и бустерные (промежуточного разрежения). В металлургии получили распространение вакуумные насосы, которые по принципу действия могут быть объединены в две большие группы:
насосы с вращающимся ротором, действие которых основано на механическом вытеснении газа, заполняющего рабочий объем, движущимися частями;
пароструйные вакуумные насосы, в которых используется эжектирующее действие струи пара рабочей жидкости в результате диффузии молекул газа в струю пара или вязкостного захвата их.
В механических вакуумных насосах возможен прорыв газа через зазоры между трущимися частями со стороны сжатия на сторону впуска. Для уплотнения зазоров и смазки трущихся деталей в насосах многих типов применяют специальное вакуумное масло. Эти насосы образуют группу механических масляных вакуумных насосов. Кроме того, имеются сухие механические насосы, в которых масло для уплотнения не применяют. Из масляных насосов широкое применение получили пластинчатороторные, пластинчато-статорные и золотниковые насосы. В корпусе пластинчато-роторного вакуумного насоса (рисунок 1) вращается эксцентрично расположенный ротор, в пазах которого находятся две пластины пружиной пластины прижимаются к стенкам корпуса. Точки касания пластин и ротора стенок камеры делят рабочий объем камеры на несколько частей: увеличивающийся при вращении объем впуска, уменьшающийся объем выпуска и промежуточный. В результате увеличения объема на стороне впуска создается разрежение и откачиваемый газ из камеры засасывается в вакуумный насос. На стороне выпуска газ сжимается и при давлении, превышающем давление пружины выпускного клапана, выбрасывается из насоса. Корпус насоса погружен в бак с маслом, которое, просачиваясь в насос, уплотняет зазоры и предотвращает обратный прорыв газа. Одновременно масло охлаждает трущиеся части насоса и препятствует поступлению газа в насос из атмосферы.
1 – камера, 2 – бак с маслом, 3 – пластина, 4 – рабочий объем, 5 – ротор, 6 – впускной патрубок, 7 – выпускной патрубок, 8 – выпускной клапан
Рисунок 1 – Устройство пластинчато-роторного вакуумного насоса
В пластинчато-статорных насосах (рисунок 2) ротор эксцентрично насажен на ось, совпадающую с геометрической осью камеры. Точка касания ротора стенок камеры описывает при его вращении окружность. Для уменьшения трения ротор делают по типу роликового подшипника. Точка касания ротора стенок камеры и пластина, проходящая через паз в статоре и прижимаемая к ротору пружиной, делит объем рабочей камеры на объем впуска и объем выпуска. Газ засасывается на стороне впуска, сжимается и через выхлопной клапан и выхлопной патрубок выбрасывается из насоса. Производительность всех механических вакуумных насосов определяется объемом рабочей камеры и скоростью вращения ротора. В пластинчато-роторных и пластинчато-статорных насосах между подвижными частями возникают большие силы трения, что ограничивает возможную скорость вращения ротора и соответственно производительность насоса. Поэтому производительность насосов этих типов, как правило, не велика и их используют либо как вспомогательные, либо как самостоятельные для создания разрежения до 133,3-102 Па в системах с малым объемом. Из этой группы насосов наибольшее распространение получили пластинчато-роторный насос ВН-494 и пластинчато-статорные насосы ВН-461 и РВН-20 (рисунок 2 и 3).
1 – камера, 2 – ротор, 3 – кожух, 4 – эксцентрик, 5 – выпускной патрубок, 6 – выхлопной клапан, 7 – пластина, 8 – впускной патрубок, 9 – впускной канал, 10 – роликовый подшипник
Рисунок 2 – Устройство пластинчато-статорного вакуумного насоса
Механические насосы всех типов с масляным уплотнением не приспособлены для откачки парогазовых смесей, в частности влажного воздуха. У них к моменту открытия выпускного клапана газ сжимается и степень сжатия его может достичь 700 Па. При этом водяной пар, если даже его парциальное давление в камере, из которой он откачивается, невелико, конденсируется, вода смешивается с маслом и вместе с ним попадает на сторону впуска там вода вновь испаряется и совершает новый кругооборот.
Для удаления влажного воздуха масляные насосы снабжают газобалластными устройствами, с помощью которых в определенный момент в объем сжатия подается некоторое количество сухого атмосферного воздуха.
1 – цилиндрическая обойма, 2 – ротор, 3 – отверстие, 4 – золотник 5 – полый параллелепипед, 6 – выпускной клапан
Рисунок 3 – Схематическое изображение золотникового вакуумного насоса
За счет балластного газа открывание выпускного клапана происходит прежде, чем парциальное давление паров достигнет точки росы, и из насоса выбрасываются и газ, и пары. Применение газобалласта уменьшает быстроту действия насосов и снижает предельный вакуум, но расширяет возможности использования насосов. В маркировку вакуумных насосов с газобалластным устройством добавляется буква Г (например ВН-6Г). В насосах с масляным уплотнением используют специальное вакуумное масло ВМ-4 или ВМ-6, представляющее собой машинное масло, из которого в результате вакуумной перегонки удалены низкокипящие фракции. В процессе работы в местах трения из-за местных перегревов происходит разложение масла, в результате которого в нем вновь появляются легкие углеводороды. Они увеличивают упругость паров и снижают предельный вакуум, создаваемый насосом. Кроме того, вакуумное масло, способное поглощать влагу и окисляться, в процессе эксплуатации теряет первоначальные свойства. Поэтому масло в вакуумных насосах необходимо периодически заменять. Наряду с масляными насосами в металлургических установках находят применение и сухие механические насосы. На рис. 4 показан разрез сухого многопластинчатого вакуумного насоса. Большое число пластин, свободно перемещающихся в пазах ротора, при его вращении центробежными силами прижимается к стенкам камеры. Вследствие эксцентричного расположения ротора объем, заключенный между двумя соседними пластинами, стенками камеры и поверхностью ротора, при его вращении все время изменяется, увеличиваясь на стороне впуска и уменьшаясь на стороне выпуска. В результате этого газ сжимается, и между сторонами впуска и выпуска поддерживается перепад давлений. Для предохранения от чрезмерного сжатия газа при работе в области высоких давлений на стороне впуска в корпус вмонтированы предохранительные клапаны. На металлургических заводах получили распространение одноступенчатые (РВН-25, РВН-50, РВН-75) и двухступенчатые (ДРВН-25, ДРВН-50, ДРВН-75) вакуумные насосы этого типа. Цифры в маркировке насоса указывают его производительность в м3/мин при вакууме 87 и 98% соответственно.
1-3 – предохранительные клапаны
Рисунок 4 – Схематическое изображение многопластинчатого вакуумного насоса
Предельный вакуум, создаваемый одноступенчатыми насосами, достигает 98%, двухступенчатыми 99,5%, что соответствует 2,0—0,533-103 Па. Многопластинчатые вакуумные насосы применяют в качестве вспомогательных для быстрого удаления основного количества газа из больших объемов, а также в качестве самостоятельных в системах, не требующих большого разрежения, но отличающихся большим газовыделением. В последнее время все более широкое применение находят двухмоторные сухие механические насосы серии ДВН или, как их часто называют за рубежом, насосы Рутса (рисунок 5). В рабочей камере такого насоса навстречу друг другу синхронно вращаются две восьмеркообразные лопасти, приводимые в движение через шестеренную передачу от общего вала. Благодаря точному исполнению и регулировке лопасти при вращении не касаются ни друг щруга, ни стенок камеры, сохраняя зазоры порядка десятых долей миллиметра отсутствий трения между движущимися частями позвляет вращать лопасти со скоростью 2500—3000 об/мин, что обеспечивает высокую производительность насосов. При сжатии газа через неуплотненные зазоры возможен его обратный прорыв. Поэтому коэффициент сжатия газа в этих насосах, как правило, равен примерно 10—50, и давление на впуске определяется давлением выхлопа. Использование двухступенчатых насосов Рутса II Комбинации с механическим масляным, подключенным последовательно со стороны выпуска, позволяет получать предельный вакуум порядка 13,33 мПа.
1-3 – предохранительные клапаны; а, б, в – последовательные стадии всасывания и выхлопа
Рисунок 5 – Принцип работы двухроторного вакуумного насоса
В химической промышленности широко используют и пароструйные насосы, важным преимуществом которых является отсутствие в них движущихся частей.
В связи с этим пароструйные вакуумные насосы более долговечны, как правило, характеризуются высокой производительностью, менее чувствительны к содержанию в откачиваемых газах металлургической пыли и паров воды. Пароструйные вакуумные насосы по принципу работы в свою очередь подразделяют на пароэжекторные и диффузионные. Принцип действия пароэжекторного вакуумного насоса основан на турбулентном захвате газа струей рабочего пара. Пар, подводимый под давлением в паровую камеру, через специальное сопло истекает в воздушную камеру. Потенциальная энергия давления пара при этом превращается в кинетическую, и струя пара в воздушной камере движется со сверхзвуковой скоростью. В результате турбулентных завихрений в движение увлекаются близлежащие слои газа. Струя пара и газ попадают в сужающуюся часть диффузора, где скорость движения еще возрастает и происходит более полное перемешивание пара и газа. В плавно расширяющейся части диффузора движение пара и газа постепенно замедляется, и кинетическая энергия струи вновь превращается в потенциальную энергию давления. Вследствие этого между входом в диффузор и выходом из него поддерживается 4-10-кратный перепад давления. Таким образом, одноступенчатый пароэжекторный вакуумный насос (рисунок 6) с выхлопом в атмосферу позволяет создавать в воздушной камере разрежение 10,65-20 кПа. Для получения более низких давлений вакуумный насос должен быть многоступенчатым. Широкое распространение пароструйных насосов объясняется дешевизной водяного пара, его однородностью, возможностью практически неограниченного его потребления, позволяющими проектировать пароводяные эжекторные насосы на любую требуемую скорость откачки газа – вплоть до сотен тысяч литров в секунду.
1 – впускное отверстие рабочего пара; 2 – впускной патрубок откачиваемого газа; 3 – диффузор; 4 – выпускное отверстие; 5 – воздушная камера, 6 – фланец сопла, 7 – паровое сопло; 8 – паровая камера
Рисунок 6 – Схема работы пароэжекторного насоса
Их можно изготавливать из любых материалов и откачивать любые газы, в том числе агрессивные и загрязненные пылью, причем установка фильтров перед ними необязательна, и поэтому представляется возможность полностью использовать их производительность. Они очень дешевы и просты в эксплуатации, могут работать на бросовом отработавшем паре ТЭЦ и котельных. Для их установки в цехе не требуется дополнительных площадей, так как отдельные элементы насоса могут быть размещены по стенам, колоннам, потолкам как внутри цеха, так и снаружи его.
В многоступенчатых насосах (рисунок 7) с целью увеличения их производительности целесообразно устанавливать за эжекторной ступенью промежуточный конденсатор, в котором пар охлаждается водой и конденсируется, а газ откачивается следующей ступенью. Однако в этом случае давление, создаваемое первой ступенью, зависит от температуры воды в конденсаторе, так как давление на выхлопе не может быть меньше давления насыщенного пара охлаждающей воды в конденсаторе. При температуре воды 25-30° С это давление составляет примерно 4 кПа. Следовательно, при коэффициенте сжатия 4-10 давление на входе не может быть получено менее 0,4-1,07 кПа. Для получения более низкого давления за первой ступенью конденсатор не устанавливают, а давление за ней обусловливается производительностью следующей ступени. Такая установка позволяет получать давление 66,6-133,3 Па.
1-5 – соответствующие ступени откачки; I-III – промежуточные конденсаторы
Рисунок 7 – Схематическое изображение пятиступенчатого пароэжекторного вакуумного насоса
Устанавливая два, три и более ступеней без конденсации с помощью пяти-шестиступенчатых насосов, можно получать разрежение до 13,33 мПа. Но отсутствие конденсаторов существенно увеличивает расход пара. В пароэжекторных насосных установках наибольшее распространение получили самые простые так называемые барометрические конденсаторы смешения. Недостатком конденсаторов этого типа является необходимость отвода воды по барометрическим трубкам высотой более 10 м, обеспечивающим водяной затвор во избежание прорыва в насос атмосферного давления. Поэтому эти конденсаторы необходимо размещать на высоте не менее 11 м от уровня воды в дренажном колодце. При включении пароэжекторных насосов пар подают вначале в последнюю ступень, а затем последовательно включают остальные, заканчивая первой. Многоступенчатые пароэжекторные насосы широко применяют в установках для внепечной дегазации стали. За рубежом пяти-шестиступенчатые вакуумные насосы, работающие при давлениях 13,33 – 1,33 Па, применяют и в установках дуговых и индукционных плавильных печей, а также в качестве выхлопных ступеней диффузионных насосов.
Паромасляный вакуумный насос (рисунок 8) имеет водоохлаждаемый металлический корпус в виде цилиндра с глухим днищем, в которое вставлены паропроводы с соплами. Рабочую жидкость заливают в кипятильник и она подогревается электроподогревателем. Пары жидкости поднимаются по паропроводам к соплам, выходят через них в объем насоса, конденсируются на стенках, и образующийся конденсат по стенкам стекает вниз и вновь попадает в кипятильник. В результате постоянного испарения и конденсации рабочей жидкости между паропроводами и объемом насоса поддерживается значительный перепад давлений. Вследствие этого, а также вследствие специальной конструкции сопел пар истекает в объем корпуса насоса со сверхзвуковой скоростью. Молекулы откачиваемого газа диффундируют в струю пара, при соударении с более тяжелыми частицами пара получают направленное движение вниз и к стенкам корпуса и скапливаются в зоне конденсации пара. Там они увлекаются в движение следующей ступенью откачки, последовательно сжимаются каждой ступенью, пока не попадут в зону действия механического насоса и удалятся из диффузионного вакуумного насоса.
Предельный вакуум, создаваемый диффузионными насосами, определяется числом ступеней насоса, конструкцией сопел, типом рабочей жидкости и температурой ее нагрева. В зависимости от глубины создаваемого разрежения диффузионные насосы могут использоваться как бустерные или как высоковакуумные. В качестве рабочих жидкостей для диффузионных вакуумных насосов, применяемых на металлургических заводах, получило распространение специальное вакуумное масло типа Г, а также марок ВМ-1, ВМ-2, ВМ-3, ВМ-5, ВМ-7, представляющее собой продукты перегонки нефти, и кремнийорганические жидкости – силиконы.
1 – система водяного охлаждения корпуса; 4 – ступени сжатия, 5 – кольцевой канал для возврата масла в кипятильник; 6 – впускной патрубок; 7 – выхлопной патрубок; 8 – концентрические паропроводы, 9 – кипятильник; 10 – электроподогреватель; I – зона эжектирования газа; II – зона конденсирования паров масла; III – зона промежуточных давлений, О – газовые молекулы, ˖·˖ – пары маславоздуха.
Рисунок 8 – Принцип действия диффузионного паромаслянного вакуумного насоса
Серьезными недостатками нефтяных масел является их чувствительность к перегреву и окисляемость при контакте в разогретом состоянии с воздухом. При перегреве происходит разложение масла с образованием гаммы легких углеводородов, в результате чего изменяются упругость паров и характеристики насоса. Окисление масла может вызвать осмоление насоса и резко изменить его характеристики. Силиконовые масла более однородны по составу и выдерживают длительное нагревание на воздухе до температур 150-200° С, поэтому они более удобны для использования в диффузионных насосах. Однако использование силиконовых масел сдерживается сложностью их получения и более высокой стоимостью
Винтовые
вакуумные безмасляные насосы (рисунок
9). Два
параллельных взаимно зацепленных
винтовых ротора (3) на подшипниковой
опоре с противоположной резьбой,
синхронно и бесконтактно вращающиеся
в противоположные стороны, герметично
закрытые в цилиндрическом корпусе (2),
образуют многоступенчатый насос.
Вследствие противовращения двух роторов
изолированные объемы в каждой винтовой
канавке продвигаются вдоль роторов к
выходу (4). Нанос не имеет клапанов ни на
входе (1), ни на выходе. В момент, когда
рабочий объем цилиндра достигает
выпускного отверстия, давление равно
атмосферному. Это означает, что атмосферный
воздух проникает в рабочий объем и затем
вновь выпускается по мере вращения
ротора. Такой пульсирующий поток газа
создает высокий уровень рассеянной
энергии и подогревает насос. Уровень
рассеянной энергии может быть снижен
за счет внутреннего сжатия. Внутреннее
сжатие достигается уменьшением шага
резьбы в направлении выхода. Зазоры
между корпусом и роторами, а также между
роторами, определяют допустимое
предельное давление винтового насоса.
Геометрия и фактическая форма зазора,
образуемого в связи с зацеплением
роторов, могут значительно влиять на
п
редельное
давление.
Рисунок 9 – Винтовой вакуумный безмасляный насос
Вследствие того, что рассеянная энергия, создаваемая пульсирующим потоком газа, подогревает насос со стороны выпускного отверстия, необходимо обеспечить локальное охлаждение. Зазор между корпусом и роторами является функцией от разницы температур между нагретыми роторами и охлажденным корпусом. Объем производимого тепла и температура являются функцией от диапазона входного давления. Самая низкая температура обеспечивается высоким входным давлением (близким к атмосферному), поскольку работа по сжатию здесь фактически не производится, а вытесняемый воздух выводит достаточный объем тепла из насоса. Кроме того, интенсивный поток газа препятствует возникновению пульсации газа на последней ступени. При работе на предельном давлении пульсация атмосферного воздуха создает более высокие температуры в выпускной зоне, поскольку в насосе отсутствует поток газа, и, следовательно, из насоса тепло не выводится [23].