2.2. Пароструйные насосы.

В пароструйных вакуумных насосах откачка газов производится за счет увлечения струей пара молекул газа, взаимодействующих с ней. В зависимости от области рабочих давления и механизма взаимодействия струи пара с газами различают три вида пароструйных насосов: эжекторные – (10⁵ – 10¹) Па, бустерные – (10¹ – 10^-2) Па, высоковакуумные диффузионные – ниже 10^-2 Па. Различный механизм взаимодействия струи пара и газа является следствием разных режимов течения струи пара и потока газа, что, в свою очередь, зависит от конструкции насоса, природы жидкости, температуры ее нагрева и других факторов. Современные пароструйные насосы имеют две-три и больше ступеней откачки. Эти ступени могут быть разными по принципу действия. Например, входная ступень диффузионная, а выходная – эжекторная. В таком случае насос получает название по входной ступени, в данном примере диффузионной. В качестве рабочей жидкости используют ртуть, нефтяные масла, специальные жидкости (например, кремнийорганические) и воду. Последнюю применяют только в насосе предварительного разрежения без ее соприкосновения с системой высокого вакуума.

В данной работе объектом изучения является паромасляный диффузионный насос (ДН). В лабораторных установках и приборах для создания высокого вакуума широко используются паромасляные ДН. Ртутные ДН используются весьма редко, их применяют обычно в тех случаях, когда нельзя допустить попадания паров масла внутрь вакуумной системы.

На рис. 8.1 приведена принципиальная схема ДН. Корпус насоса 1 представляет собой металлический цилиндр с двойными стенками 2, между которыми циркулирует охлаждающая вода. Вода подводится и отводится через штуцеры 3. С помощью фланца 4 насос соединяется с вакуумной системой. Патрубок 11 служит для присоединения к форвакуумному насосу. В нижней части насоса расположены электродвигатель 5, который можно снимать с насоса; зонтичные сопла 7 и 8 и эжекторный узел 9.

Рис. 8.2. Схема паромасляного диффузионного насоса.

1 – корпус; 2 – водоохлаждаемая рубашка; 3 – штуцера для подвода и отвода воды; 4 – фланец для крепления насоса; 5 – электродвигатель; 6 – паропровод; 7, 8 – зонтичные сопла; 9 – эжекторный узел; 10 – впускной патрубок; 11 – патрубок для присоединения к форвакуумному насосу.

Пары масла, образующиеся при работе насоса в кипятильнике в нижней части насоса, по цилиндрическим паропроводам 6, вставленным один в другой, поднимаются вверх и через зонтичные сопла 7 и 8 в конце трубопроводов с большой скоростью выходят под углом к продольной оси паропроводов. Струя пара, выходящая из каждого сопла, имеет форму усеченного конуса, заключенного между соплами и корпусом насоса. При типичных условиях работы насоса давления откачиваемого газа не превышает 10^-1 Па, длина свободного пробега молекул газа при этом давлении составляет 50-60 мм, что близко к величине диаметра корпуса насоса. Молекулы газа диффундируют в струю пара и молекулами пара увлекаются в направлении движения струи. Пары масла конденсируются на холодных стенках корпуса, выделяя газ в пространстве под струей, откуда он откачивается аналогичным путем нижним соплом. Масло по стенкам корпуса стекает вниз в кипятильник, откуда вновь испаряется. Из пространства под струей пара, выходящей из сопла 8, газ откачивается эжекторным узлом 9, установленным в боковом патрубке насоса. Из патрубка 10 газ откачивается механическим насосом.

В качестве рабочей жидкости в ДН используются минеральные масла. Минеральные масла неоднородны и состоят из нескольких фракций с различной упругостью пара. Устройство кипятильника ДН обеспечивает фракционирование масла в процессе работы. Участки нагревателя, расположенные около его центра, имеют наиболее высокую температуру, поэтому по внутреннему паропроводу к верхнему соплу поступают пары наиболее тяжелых фракций масла с наименьшей упругостью пара. Это сводит к минимуму уход паров из верхней струи в вакуумную систему и способствует достижению более низкого давления в откачиваемой установке.

Наиболее легкие фракции масла с высоким давлением пара испаряются с периферийных участков кипятильника и попадают в эжекторное сопло, что позволяет иметь более высокое давление со стороны выпуска.

Характерной особенностью паромасляных ДН является невысокое выпускное давление на уровне 10-40 Па, поэтому диффузионные насосы не могут выбрасывать откачиваемый газ в атмосферу. Диффузионные насосы работают только в паре с механическими насосами с масляным уплотнением.

МН откачивают газ, который выходит из диффузионного насоса, и выбрасывают его в атмосферу. Для нормальной совместной работы диффузионного и механического насоса необходимо соблюдение нескольких условий.

Давление, которое создает МН при откачке со стороны впуска, не должно быть больше выпускного давления ДН.

Производительность обоих насосов в процессе работы должна быть одинаковой, т.к. через оба насоса проходит один и тот же поток газа:

, (8.4)

где Р_ДН и Р_МН – впускное давление ДН и МН соответственно;

S_ДН и S_МН – быстрота действия ДН и МН при их входных давлениях соответственно.

Увеличение давления откачиваемого газа со стороны выпуска ДН сверх допустимых значений ведет к прорыву струи пара и попаданию воздуха в вакуумную систему.

Проникновение воздуха в ДН сопровождается окислением масла и выходом насоса из строя. В этом случае насос необходимо разобрать, очистить стенки корпуса и паропровода от продуктов окисления масла, собрать насос и залить новое масло.

В процессе эксплуатации пароструйных насосов их технические характеристики могут меняться (ухудшаться).

В связи с этим необходимо периодически проверять характеристики, которые могли ухудшиться, установить причины, а затем исправить, если это возможно, или обосновать необходимость замены оборудования.

Определение предельного разрежения.

Состояние предельного разрежения достигается вследствие образования равновесия между выбрасываемым насосом потоком газа и возникающим встречным потоком из-за перепада давлений. Причины, затрудняющие достижение предельного разрежения в вакуумной системе, как правило, усиливаются по мере увеличения размеров и сложности конструкции этой системы. Поэтому практическое определение предельного разрежения проводят на уменьшенной и упрощенной системе. Такой системой в данном случае служит насос с закрытым входным фланцем, соединенный только с манометром.

Измерение предельного разрежения выполняется путем снятия графика изменения давления в насосе от времени. Давление, соответствующее участку кривой, асимптотически приближающейся к оси времени, является предельным вакуумом. Практически предельным разрежением можно считать давление, которое не изменяется в процессе 20 мин откачки более, чем на 10 %. При таком измерении чувствительность манометра должна быть хотя бы на порядок выше, чем измеряемая величина.

Определение быстроты действия насоса.

Быстрота действия насоса – это объем газа, поступающий в единицу времени в насос при данном давлении определяется согласно формуле 8.2.

Используют два метода определения быстроты действия:

1. метод постоянного объема;

2. метод постоянного давления.

В настоящей работе используется первый метод, рассмотрим его. Количество газа, находящегося в откачиваемом объекте объемом V₀ при давлении P, равно PV₀. При откачке за время dτ количество газа в объекте уменьшается на d(PV₀) = V₀dP. Уменьшение количества газа в объекте за время dτ равно количеству газа, поступающего из объекта в вакуумпровод (PS₀dτ), следовательно, PS₀dτ = –V₀dP или:

_(8.5)

Таким образом:

(8.6)

или, переходя к десятичным логарифмам:

(8.7)