2.2. Поршневой вакуум-насос

Общая теория поршневого компрессора применима для анализа работы и вакуум-насоса. Отметим лишь некоторые особенности расчета мощности, на основе величины которой осуществляется выбор привода. Анализ выполним для идеальной машины.

При пуске вакуум-насоса обычно реализуется условие p₁ = p₂. Из уравнения (67) следует, что в этом случае N_ад=0.

При создании полного вакуума, когда р₁ = 0, из уравнения (67), представленного в виде

также очевидно, что N_ад=0.

Совершенно очевидно, что существует р_1m (0<р_1m<p₂), при котором затраты мощности будут максимальными. Именно по максимальным затратам энергии и следует выбирать привод.

Для нахождения р_1m найдем производную dN_ад/dp₁ и приравняем ее к нулю

Найдем Отсюда (для двухатомных газов k =1,4; p₂/р_1m = 3,25). Тогда

После вычислений получим зависимость

Другая особенность вакуум-насоса состоит в том, что вакуум-насос — машина малоэнергоемкая, но имеющая высокую степень сжатия. Это позволяет создавать упрощенные конструкции, обеспечивающие высокую степень сжатия в одной ступени, допуская снижение КПД машины.

О дной из таких конструкций является вакуум-насос с перепуском (рис. 57). Это машина с цилиндром двойного действия. На внутренней поверхности цилиндра выполнены канавки 1, которые соединяют объемы мертвого пространства с остальным объемом цилиндра при положениях поршня в левой и правой мертвых точках. Индикаторные диаграммы для левой и правой рабочих камер показаны на рис. 58.

При движении поршня вправо в левой камере происходит процесс всасывания газа (линия 4—1), в правой — сначала сжатие (линия а'—2'), а затем нагнетание (линия 2'—3'). При достижении поршнем правой мертвой точки объем левой камеры V₁ с давлением газа р₁ сообщается через канавки с объемом мертвого пространства V_м правой камеры, давление газа в котором р₂. В результате перетока газа в обеих камерах устанавливаются давления, равные р_с.

Давление р_с найдем из следующих условий:

где V_c — объем, занимаемый газом с начальными параметрами р₁ и V₁ после сжатия до р_с;

Поскольку расширение газа из объема мертвого пространства начинается с давления р_с, то для нахождения коэффициента всасывания примем в выражении (71) р₂ = р_с. После простых преобразований с учетом того, что V₁ = SL + V_м и V_м/(SL) =  найдем

и _вс = 0 при

(при k = 1,4 и ε = 0,005 (р₂/р₁)_max  5000; в отсутствие перепуска (р₂/р₁)_max = (1 + )/  70).

Р ис. 58. Индикаторная диаграмма поршнево­го вакуум-насоса с перепуском

Рассмотренное конструктивное решение, как видно из рис. 58, приводит к заметному увеличению площади индика­торной диаграммы, а следовательно, и мощности привода.

2.3. Ротационные компрессорные машины

это машины объемного типа, которые от поршневых машин отличаются компактностью и непрерывностью подачи газа. Степень сжатия газа в таких машинах невелика. Они используются либо как газодувки, либо для создания низкого вакуума.

Пластинчатая компрессорная машина

Схема, поясняющая принцип работы машины, приведена на рис. 59. Ротор 1, в пазы которого вставлены пластины 2, эксцентрично размещен в корпусе 3. Корпус касается ротора в верхней точке и плотно облегает его по торцам.

Рис. 59. Схема ротационной пластинчатой компрессорной машины

Рис. 60. Зависимость объема камеры V от угла поворота φ

При вращении ротора пластины под действием центробежных сил плотно прижимаются к внутренней поверхности корпуса. Объем V, заключенный между соседними пласта­ми, изменяется так, как показано на рис. 60. При возрас­тании V от V_max этот объем постоянно соединен с газом

линии всасывания через отверстие 5 цилиндрической поверхности корпуса, т. е. при 0<φ<π давление газа в объ­еме V постоянно и равно р₀ (рис. 61, линия 4—/). При даль­нейшем увеличении φ до φ_н происходит сжатие газа, при этом объем V уменьшается от V_max до V_н и в объеме V дав­ление возрастает от р₀ до р_max = p₀(V_тах/V_в)^т, где т — показатель политропы (рис. 61, линия 1—2).

П ри угле поворота φ=φ_н объем камеры V сообщается с линией нагнетания через отверстие 4 (рис. 59). При этом, если давление в линии нагнетания р_к>p_н , (рис. 61, А), то происходит сначала дозаполнение камеры V газом из линии нагнетания и скачкообразное возрастание давления до р_к

Рис. 61. Индикаторная диаграмма ротационной пластинчатой компрессорной машины

(линия 2—а), а затем нагнетание газа (линия а—3). Если же давление р_н оказалось больше р_к, то процесс нагнетания идет по линии 2—а—3 (рис. 61,Б).

Поскольку начало процесса нагнетания в этой машине определяется только углом поворота камеры φ, то практи­чески всегда, когда , площадь индикаторной диаграм­мы больше площади индикаторной диаграммы поршневого компрессора на величину заштрихованного участка на рис. 61, т. е. КПД пластинчатой компрессорной машины тео­ретически всегда ниже КПД поршневого компрессора.

Водокольцевой вакуум-насос

Схема машины приведена на рис. 62.

Ротор 1 эксцентрично размещен в корпусе 2. При враще­нии ротора находящаяся в корпусе вода под действием ло­пастей отбрасывается к стенке и образует водяное кольцо 3.

Толщина водяного кольца определяется положением внеш­ней кромки окна 4. Внутренняя поверхность водяного кольца выполняет роль корпуса пластинчатой компрессорной ма­шины.

Принцип действия водокольцевого вакуум-насоса аналогичен принципу действия пластинчатой компрессорной машины (рис. 60 и 61 поясняют цикл работы рассматриваемого ва­куум-насоса). Отличительной чертой является лишь то, что процесс сжатия газа здесь происходит изотермически.

Для подачи газа из линии всасывания в рабочие камеры из камер в линию нагнетания водокольцевой вакуум-насос имеет серповидные окна 4 и 5 в торцевой стенке корпуса

.

Для обеспечения отвода теплоты сжатия газа и мощ­ности, диссипируемой при вращении водяного кольца, хо­лодная вода непрерывно подается в вакуум-насос вместе с всасываемым газом (рис. 63). Сток воды осуществляется через нагнетательное окно. Газожидкостная смесь разделя­ется в сепараторе, вода сбрасывается в канализацию, воз­дух — в атмосферу.

Достоинствами водокольцевого вакуум-насоса являются его компактность и возможность перекачивания газов, со­держащих пыль и капельную влагу.

Недостаток один — низкий КПД, большая часть энергии расходуется в машине для поддержания вращательного дви­жения водяного кольца.