Методическое пособие 225

насос с более мощным нагревателем и более летучим маслом, что позволяет значительно повысить допустимое давление на выходе. Обычно крупные диффузионные насосы откачивают такой большой поток газа, что при необходимом низком давлении на их выходе pвыхд.н=pвхм.н из-за малой быстроты откачки механических насосов трудно обеспечить выполнение условия (1). Эта трудность устраняется промежуточным бустерным насосом, включаемым последовательно по схеме ДН БН МН.

Бустерные насосы отличаются от диффузионных повышенным максимальным давлением выпуска (примерно 40-330 Па вместо ~13 Па) и характеристикой быстроты откачки, смещенной в область более высоких давлений. При этом легко выполняется условие для откачиваемых потоков газа

(pвхS)д.н=(pвхS)б.н=pвхS)м.н.

Ранее отмечалось, что увеличение мощности нагревателя смещает верхний и нижний пределы характеристики быстроты откачки вверх по давлению. Поэтому в бустерных насосах используют нагреватели с повышенной мощностью, более летучие масла и более плотные струи. Например, для насосов на 500 л/с потребляемая мощность равна: для диффузионного Н-5С — 1 кВт; для бустерного БН-3 — 3,5 кВт. Смещение вправо характеристики быстроты откачки насоса БН-3 с ростом мощности показано на рис. 3.

В бустерных насосах применяют расширенные нагреватели для уменьшения теплового потока ниже критической величины

9

высокое давление пара ~400 Па, сток масла затруднен по узким зазорам между стенкой и нижним паропроводом, поэтому применяется отдельная внешняя трубка для стока конденсата масла. Масла для бустерных насосов более однородны и состоят из более легких фракций, чем масла для диффузионных насосов. Масло «Г» (M=350) получают дистилляцией нефтяного вазелинового масла при 120-160 °С, упругость его пара порядка 6,7 10–3 Па. Оно дешево, но недостаточно устойчиво к окислению при нагреве. Более стабильно, но дороже бустерное масло ПФМС-1 (M=700) на силоксановой основе.

Нагреватели бустеров обычно покрыты теплоизоляцией. Число ступеней у бустеров может быть велико (до шести у БН-4500), причем перед верхними ступенями применяется дросселирование паропроводов для понижения давления пара. Применяются также конические корпуса насосов с сужением книзу и гроздья прямоточных сопел по окружности паропровода вместо зонтичных сопел для увеличения плотности струй и рационального распределения быстрот откачки и расхода пара по ступеням откачки. Для уменьшения тепловых потерь в насосе БН-2000 спираль нагревателя помещена непосредственно в масло. Бустерные насосы применяют самостоятельно (без диффузионных) в тех случаях, когда необходимо откачивать большое количество газа при не очень низком давлении (порядка 10–2 Па в технологических объемах).

В эжекторных насосах применяют прямоточные сопла в виде трубок с коническим расширением (диффузором) для получения сверхзвуковых скоростей струи пара. Сопло вставлено в камеру смешения, куда из бокового патрубка засасывается откачиваемый воздух, так как по закону Бернулли струя при большой скорости имеет малое статическое давление. В диффузоре происходит интенсивное перемешивание газа и пара, скорость струи уменьшается и повышается давление газа до pвых.

Эжекторные насосы имеют дополнительный параметр — коэффициент эжекции, равный v=Gг/Gп, где Gг и Gп — поток газа и расход пара, кг/ч. Обычно эжекторные насосы работают на водяном паре с давлением 5-10 ат от ТЭЦ, хотя рабочим телом могут быть пары ртути, масла и даже сухой воздух. Эжекторные насосы очень просты и надежны, их изготавливают из различных материалов, не поддающихся агрессивным воздействиям, они могут откачивать за-

10

грязненные газы; требуют мало места, так как их можно монтировать по стенам цехов, потолкам и т. д. Они обеспечивают большую быстроту откачки при предельных разрежениях порядка 13-2,6 103 Па.

Для измерения быстроты откачки высоковакуумных насосов используют метод постоянного давления

(рис. 4). При открытом атмосферном вентиле натекателем устанавливают такую величину потока газа в насос, которая обеспечивает необходимое давление для измерения быстроты откачки (p=Q/S). Манометр измеряет давление на уровне входной

плоскости насоса, при этом рассеивающие диски с отверстиями в измерительном колпаке исключают погрешность из-за направленного потока. Сечение колпака такого же размера, что и сечение насоса, а высота примерно равна диаметру сечения. Затем закрывают вентиль и измеряют высоту подъема масла в бюретке h за время опыта t (объем воздуха, впускаемый в измерительный колпак). Пусть pа — атмосферное давление, V0 — объем бюретки от начального уровня масла до натекателя. За время t из бюретки откачивается количество газа (pаV0)=V0 p+pа V; где V=h d2/4;

d — диаметр бюретки; p=h м/ рт; м/ рт — отношение плотностей масла и ртути, равное для масла ВМ-1 0,8/13,6=0,0587.

Через насос прокачивается поток газа Q= (pаV0)/t=kбh/t, причем постоянная бюретки kб зависит только от ее размеров и равна kб=pа d2/4+V0 м/ рт. Обычно уменьшение давления в бюретке мало ( p<<pа); тогда искомая быстрота откачки может быть определена по формуле

11

Бюретку градуируют в делениях, а постоянную kб задают в единицах л Па.

2.Особенности эксплуатации диффузионных насосов

Впроцессе откачки возможны колебания давления в откачиваемом объеме, т. е. на входе диффузионного насоса, вызываемые несколькими причинами. При работе пароструйного насоса в откачиваемый объем непрерывно поступают газ и пары рабочей жидкости из струи сопла. Содержание газа в паровой струе связано с чистотой рабочей жидкости, термическим крекингом масла, происходящим в кипятильнике насоса. Молекулярный вес продуктов крекинга рабочей жидкости, содержащихся в струе, может быть значительно меньше молекулярного веса рабочего вещества. Температура охлаждаемых стенок насоса часто недостаточна для конденсации на ней продуктов крекинга. Несконденсированные пары и остаточные газы продиффундируют в откачиваемый объем. Уже отмечалось, что миграция паров рабочей жидкости для масляных диффузионных насосов может достичь нескольких кубических сантиметров в час. Наличие загрязнений рабочей жидкости и миграции продуктов крекинга приводит к снижению предельного вакуума, загрязнению откачиваемого объема и к уменьшению количества рабочей жидкости в подогревателе, что ограничивает срок службы насоса без вскрытия.

Впроцессе работы диффузионного насоса при некоторых условиях газ поступает в область высокого вакуума в результате его диффузии из области предварительного разрежения. При увеличении давления со стороны форвакуума происходит последовательный или ступенчатый прорыв газа через все ступени насоса. При этом газ протекает по образовавшемуся каналу в сторону высокого вакуума до тех пор, пока перепад давлений не уменьшится до восстановления откачивающей способности насоса. Смена периодов работы и прорыва может происходить с периодом 5 с и сопровождаться резкими колебаниями давлений на стороне высокого вакуума. Для устранения этого явления необходимо уменьшить давление на выходе насоса с помощью бустерного насоса или дополнитель-

12

ных сопел, выполняющих роль бустера.

Для нормальной работы диффузионного насоса требуется определенная мощность подогрева кипятильника. При снижении мощности уменьшается плотность струи масла у сопел, снижается быстрота откачки насоса, возникают колебания давления в откачиваемом объеме. При увеличении мощности подогрева приходится иметь дело также с нестабильностью давления и с резким возрастанием миграции масла. Кроме того, срок службы насоса уменьшается.

Для нормальной работы диффузионного насоса его стенки необходимо охлаждать. Применяют два способа водяного охлаждения: с помощью змеевика из медных труб, напаянного по всей длине на корпусе насоса, и с помощью водяной рубашки. Для насосов малой мощности допускается применение принудительного воздушного охлаждения с помощью вентилятора. Корпус насоса в этом случае снабжается радиаторными крыльями. Система охлаждения должна поддерживать в рабочем состоянии температуру стенок насоса заведомо ниже температуры конденсации рабочей жидкости. Для масляных насосов эта температура не должна превышать 28-30 °С. При увеличении температуры стенок в результате недостаточного охлаждения насоса происходит перегрев масла, увеличивается скорость разложения (крекинга), ухудшается предельный вакуум, возрастает скорость миграции масла в откачиваемый объем. Для бустерных насосов также увеличивается скорость выноса масла. Расход охлаждающей воды должен быть порядка 1-2 л/мин соответственно мощности нагревателя.

При эксплуатации насосов с водяным охлаждением происходит накипеобразование и загрязнение охлаждающей системы взвесями, содержащимися в воде, а также коррозия металла. В некоторых случаях рост осадка приводит к полной закупорке системы охлаждения и выходу насоса из строя. Лучшие результаты против накипеобразования и выделения органических осадков дает применение меди в качестве конструктивного материала и тщательная обработка поверхности охлаждающей системы.

Возможные неисправности диффузионных насосов и способы их устранения сведены в следующую таблицу.

13

14

3. Расчетная часть

По заданному предельному давлению в вакуумной камере Рпред и суммарному потоку газов, поступающих в вакуумную камеру, определить:

1.Тип и размер основного насоса.

2.Тип и размер вспомогательного насоса. Методика расчета:

1.Выбор типа основного насоса, исходя из заданного пре-

дельного давления. Например, если Рпред= 10-3–10-4 Па, то в качестве основного насоса выбирается пароструйный диффузионный насос.

2. Определение эффективной быстроты откачки камеры S0 для заданного предельного давления Рпред и рассчитанного суммарного газового потока

3. Определение скорости откачки диффузионного насоса. Быстрота действия насоса при проектном расчете выбирается из условия обеспечения рабочего давления в установленном режиме работы вакуумной системы:

Для пароструйных и криогенных насосов k=2, для сорбционных насосов k=4, для механических — k=1,2.

При проектировании вакуумных установок с диффузионным насосом желательно, чтобы пропускная способность трубопровода U, соединяющего объект с пароструйным насосом, была равно скорости откачки насоса, т. е. U=Sн,

1 = 1 + 1 .

н

По техническим характеристикам насоса и рассчитанному значению Sоснн, расч выбираем размер основного насоса. Выписываем основные технические характеристики выбранного насоса: Рпред,

Рнач, Рвин, раб , раб ,Sн.

15

Быстрота действия выбранного насоса носн≥ носн,расч, а предельное давление насоса должно быть равно или меньше заданного в условии Рпред проектируемой установки.

4. Определение необходимости и типа вспомогательного насоса по техническим характеристикам основного насоса Рнач, Рвып. Так, для пароструйных насосов Рнач, Рвып<Ратм, т. е. требуется предварительное разрежение вакуумной камеры и на выпуске пароструйного насоса. Тип вспомогательного насоса выбирается из условия

предвсп ≤ начосн, выпосн .

Очевидно, что для создания предварительного разрежения в пароструйных насосах используются механические или адсорбционные насосы.

Расчет параметров вспомогательного насоса основан на том, что максимальный поток откачиваемых газов должен быть одинаков для основного и вспомогательного насосов, соединенных последовательно, т. е.

16

где k – коэффициент использования насоса. Для механических насосов k=1,1-1,25.

По рассчитанным параметрам и техническим характеристикам механических насосов выбираем размер механического насоса из условий

предвсп ≤ начосн, выпосн;

носн ≥ нвсп, расч .

4. Экспериментальная часть

Необходимо осуществить следующее:

1.Произвести разборку, осмотр, сборку насоса.

2.Проверить, закрыты ли форвакуумный вентиль и натекатель на измерительном колпаке и открыт ли на атмосферу кран бюретки.

3.Включить механический насос, через 10-15 мин после достижения предварительного разрежения открыть форвакуумный

вентиль и проверить давление в системе с помощью манометрического датчика ЛТ-2. Если давление установилось порядка 10–2 Тор (нет натекания в систему и механический насос исправен), включить водяное охлаждение стенок и электронагреватель диффузионного насоса. Установить автотрансформатором номинальную мощность нагревателя (220 В по вольтметру).

4.По достижении разрежения 1,3·10-2 Па включить манометрического датчика ЛМ-2.

5.По достижении предельного вакуума (давление в системе имеет порядок 10–3-10–4 Па и не изменяется во времени) приступить

кизмерениям.

6.Установить в измерительном колпаке необходимое давление, для чего медленно открывать натекатель, непрерывно контролируя давление.

7.Закрыть кран бюретки, т. е. соединить бюретку с измерительным колпаком.

8.С помощью секундомера измерить время поднятия столба масла на высоту, удобную для вычисления быстроты откачки.

9.Одновременно с измерением времени поднятия столба масла в бюретке записать величину давления по манометру. Значение

17

давления в процессе измерения должно быть постоянным. В случае неустойчивых показаний манометра допускается усреднение трехпяти отсчетов, причем повторные измерения времени поднятия столба масла в бюретке допускаются только после спуска масла в бюретке до уровня в стакане. Результаты проведенных измерений удобно записать в виде следующей таблицы.

10.Изменить давление в вакуумной системе, вновь открывая натекатель. Провести очередное измерение быстроты откачки. Измерения рекомендуется проводить при значениях 1, 2, 3, 5 и 8 каждого порядка измеряемых давлений.

11.Результаты измерений отразить графиком в виде зависимости S=f(p).

12.Выполнить измерения быстроты откачки при разных мощностях подогрева. После каждого изменения мощности необходимо время для установления теплового равновесия в насосе, стационарной температуры и равновесной плотности струи рабочей жидкости.

Предупреждения. По окончании работы необходимо: 1) закрыть натекатель; 2) открыть на атмосферу вентиль бюретки; 3) выключить нагреватель диффузионного насоса; 4) после того как температура нагревателя понизится до 70-50 °С закрыть форвакуумный вентиль; 5) выключить механический насос.

Порядок выполнения работы

1.Изучить правила техники безопасности при работе с вакуумными насосами.

2.Провести разборку, осмотр, сборку насоса. Нарисовать схему конструкции пароструйного насоса.

3.Изучить порядок работы пароструйных насосов.

4.Откачать вакуумную камеру, измерить Рпред. Определить зависимость быстроты откачки от давления и мощности нагревателя.

5.По заданным Рпред и Qmax выбрать тип, размер пароструйного и механического насосов.

18