Механические вакуумные насосы
ТЕХНИКА ПОЛУЧЕНИЯ ВАКУУМА
Общие сведения о вакуумных насосах
При большом различии в принципах действия и конструкциях, во всех вакуумных насосах для откачки газа используется один из двух способов:
а) перемещение газа за счет приложения к нему механических сил в некотором месте вакуумной системы, откуда газ выталкивается;
б) связывание газа путем сорбции, химических реакций или конденсации обычно в замкнутой вакуумной системе.
По принципу действия вакуумные насосы, используемые для получения давлений меньше 10 
Па разделяются на следующие группы:
1) Насосы объемного действия, в которых перемещение газа осуществляется путем периодического изменения объема рабочей камеры.
2) Эжекторные насосы, в которых происходит турбулентно-вязкостное увлечение газа струей рабочей жидкости или пара.
3) Молекулярные насосы, которые осуществляют откачку путем сообщения молекулам откачиваемого газа дополнительной скорости в определенном направлении. Насосы этой группы могут быть струйными, действие которых основано на сообщении молекулам откачиваемого газа дополнительной скорости непрерывно истекающей струей пара и механические молекулярными, в которых эта скорость сообщается движущимися поверхностями твердого тела.
4) Сорбционные насосы, которые осуществляют откачку газа их сорбцией на поверхности или в объеме твердых тел. В эту группу входят и адсорбционные насосы, в которых откачка происходит вследствие обратимой физической адсорбции газа при низкой температуре.
|
|
|
5) Криогенные насосы, которые осуществляют откачку путем конденсации откачиваемых газов и паров на поверхностях, охлаждаемых до сверхнизких( криогенных) температур. Разновидностями криогенных насосов являются конденсационные и криосорбционные насосы.
Основные параметры и характеристики вакуумных насосов:
Наибольшее давление запуска, наибольшее выпускное давление, наибольшее рабочее давление, предельное остаточное давление, быстрота действия и производительность.
Наибольшим давлением запуска 
называется давление во входном сечении вакуумного насоса, при котором насос может начать работать. Не все насосы могут начинать работу с атмосферного давления. Для некоторых необходимо предварительное разряжение - форвакуум.
Наибольшим выпускным давлением 
называется давление в выходном сечении вакуумного насоса, при котором насос еще может осуществлять откачку. Все насосы, у которых наибольшее выпускное давление ниже атмосферного, должны иметь на выходе так называемый форвакуумный, создающий необходимый форвакуум насос.
|
|
|
Наибольшим рабочим давлением 
называется наибольшее давление во входном сечении вакуумного насоса, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия.
Предельным остаточным давлением 
называется наименьшее давление, которое может быть достигнуто при работе насоса без нагрузки, т.е. когда во входное сечение насоса не поступают извне газы и пары.
Невозможность беспредельного понижения давления обусловлена тем, что каждый реальный насос характеризуется натеканием (обратным потоком) газов или паров на собственный вход. Обратный поток может состоять из паров рабочей жидкости, проникающих через механизм насоса, выделяющихся из конструкционных материалов, и газов, натекающих из окружающей среды через неплотности.
С понижение давления поток откачиваемого газа, проходящий через насос, уменьшается, в то же время обратный поток остается практически неизменным; поэтому наступает момент, когда эти потоки становятся одинаковыми и давление во входном сечении насоса перестает уменьшаться. Это и есть предельное остаточное давление, достигаемое насосом.
Механические вакуумные насосы
Можно выделить объемные и молекулярные.
|
|
|
Объемные насосы осуществляют откачку за счет периодического изменения объема рабочей камеры. Имеется несколько конструктивных вариантов таких насосов: поршневой, жидкостно-кольцевой, ротационный.
Молекулярные насосы работают за счет передачи молекулам газа количество движения от твердой, жидкой или парообразной быстродействующей поверхности. Среди них различают водоструйные, эжекторные, диффузионные, молекулярные с одинаковым направлением движения откачивающей поверхности и молекул газа, турбомолекулярные с взаимно перпендикулярным движением твердых поверхностей и откачиваемого газа.
Объемная откачка.
В процессе объемной откачки выполняются следующие основные операции: 1) всасывание газа за счет расширения рабочей камеры насоса; 2) уменьшение объема рабочей камеры и сжатие находившегося в ней газа; 3) удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу или насос предварительного разряжения.
Диаграмма работы насосов объемного действия - зависимость объема 
и давления 
в камере насоса от времени показана на рис .1.
В течение времени 
осуществляется всасывание газа (область I), в промежутке от до 
- сжатие газа (область II), от до 
- выхлоп (область III) , затем цикл повторяется вновь. Кривые 1 и 3 представляют собой соответственно зависимости объема и давления в рабочей камере от времени. Кривая 2 соответствует изменению давления в режиме работы с напуском балластного газа в момент времени .
|
|
|
Балластный газ напускается при откачке паров воды или органических растворителей, давление насыщенных паров которых 
при рабочей температуре в насосе находится в промежутке от предельного давления
до максимального выпускного давления .
Конструкция объемных насосов
Объемные насосы в зависимости от выбора конструктивной схемы делятся на поршневые, жидкостно-кольцевые и ротационные.
В поршневых откачка осуществляется за счет периодического изменения объема цилиндра. Поршневые насосы имеют предельное давление 
Па. Быстрота действия современных поршневых насосов составляет 10….4000 л/с. Насосы обычно начинают работать от атмосферного давления.
Недостатки: неравномерность процесса откачки, неполная уравновешенность, большие потери на трение и большая удельная масса.
Жидкостно-кольцевые насосы или насосы с жидкостным поршнем (рис. 2) имеют в цилиндрическом корпусе 1 эксцентрично расположенное колесо 2 с неподвижно закрепленными лопатками. Находящаяся внутри корпуса жидкость во время вращения под действием центробежных сил прижимается к стенкам корпуса и образует жидкостное кольцо 4. Между жидкостным кольцом и лопатками насоса образуются отдельные ячейки неодинакового размера. Вначале их объем увеличивается и газ через всасывающее отверстие 3 в торцевой крышке поступает в насос. Затем объем ячеек уменьшается и сжатый газ через выхлопное отверстие 5 удаляется из насоса.
В качестве рабочей жидкости для откачки смеси воздуха с водяным паром используется вода, для откачки хлора - концентрированная серная кислота и т.д. По конструкции и условиям эксплуатации эти насосы проще поршневых, так как не имеют клапанов и распределительных устройств.
Предельное давление таких насосов определяется давлением насыщенных паров рабочей жидкости. Водокольцевые насосы имеют предельное давление (2….3) 
Па. Насосы могут работать от атмосферного давления. Быстрота действия лежит в пределах от 25 до 500 л/c.
Водокольцевые насосы могут применяться в качестве безмаслянных насосов для форвакуумной откачки.применяются
Недостатком является довольно большой удельный расход мощности из-за необходимости перемещения жидкости, находящейся в насосе.
Механические вакуумные насосы с масляным уплотнением
Насосы относятся к насосам объемного действия и работают за счет периодического изменения объема рабочей камеры. Механические насосы могут быть пластинчато-роторными , пластинчато-статорными и плунжерными (золотниковыми).
Пластинчато- роторный насос (рис.3 и рис.10) содержит цилиндрический корпус 1 с впускным 4 и выхлопным 3 патрубками и эксцентрично расположенным ротором 2, в пазах которого установлены пластины 3 c пружиной 4. При вращении ротора пластины скользят по внутреннкй поверхности цилиндра Под действием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение объема рабочей камеры насоса. Начальное прижатие пластин к поверхности статора осуществляется пружиной 4.
При вращении ротора пластины, скользя по внутренней поверхности цилиндра образуют в камере насоса две полости переменного объема: I (полость всасывания) и II (полость сжатия). Полость всасывания I при вращении ротора увеличивает свой объем и в нее поступает газ из впускного патрубка 5, связанного с откачиваемым сосудом. Объем полости сжатия II, расположенный на выпускной стороне, уменьшается при вращении ротора, и в ней происходит сжатие газа. Эта полость соединена с клапаном 6. Когда давление газа в полости II станет достаточным для открытия клапана, произойдет выхлоп. В процессе работы зазоры в роторном механизме уплотняются рабочей жидкостью насоса - маслом, благодаря чему обратное перетекание газа с выхода на вход становится ничтожно малым. Масло заполняет и так называемые вредные пространства, из которых газ вытесняется при работе роторного механизма (например, объем под клапаном), и исключает их влияние, ведущее к повышению предельного остаточного давления. Одновременно масло обеспечивает смазку и частичное охлаждение механизма насоса. Масло поступает в камеру насоса через зазоры и сверления в корпусе из маслорезервуара, где оно находится под атмосферным давлением. Такую же роль масло выполняет и в других типах насосов с масленым уплотнением.
На рис. 4 приводится схема многопластинчатые роторного насоса с быстротой откачки до 
с большим числом пластин. В этих насосах нет масляной ванны, а для уменьшения потерь на трение используются беговые кольца 1, которые приводятся во вращение пластинами 2. Отверстия в беговых кольцах обеспечивают прохождение откачиваемого газа. В некоторых конструкциях, имеющих пластины из антифрикционных материалов, можно обойтись и без колец.
Предельное давление таких насосов определяется кроме газовыделения материалов насоса объемом вредного пространства и давлением насыщенных паров масла. Вредное пространство насоса обозначено на рис. 5 , буквой В. В пластинчато-роторных насосах объем вредного пространства частично заполняется рабочей жидкостью.
Без учета давления насыщенных паров рабочей жидкости предельное давление насосов составляет 1 Па для схемы на рис.3,10 и 
Па для схемы на рис.4.
Ротационные насосы с катящимся ротором бывают двух видов: пластинчато-статорные и золотниковые насосы.
Пластинчато-статорный насос (рис.6 и 11) состоит из следующих основных элементов: корпуса 1, эксцентричного ротора 2, выпускного патрубка 3, пластины 5, пружины 4, входного патрубка 6. Рабочее пространство насоса образуется между эксцентрично установленным ротором и корпусом насоса. При вращении по часовой стрелке за первый оборот ротора газ всасывается из откачиваемого объекта, а за второй происходит сжатие и выхлоп газа. Пластина под воздействием пружины герметично разделяет области всасывания и сжатия откачиваемого газа.
Золотниковый насос (рис. 7 и 13) состоит из корпуса 1, эксцентрично установленного ротора2, золотника 6, выпускного патрубка и обратного клапана 3, шарнира 7 и входного патрубка 4. Газ из откачиваемого объекта через входной патрубок и отверстия 5 в золотнике поступает в камеру всасывания А, увеличивающуюся при вращении ротора по часовой стрелке. В это же время объем камеры В уменьшается и находящийся в ней газ сжимается и выталкивается через выхлопной патрубок.
Пластинчато-статорный и золотниковый насосы работают в масляной ванне, так же как и пластинчато-роторный насос. Характеристики этих насосов примерно одинаковы, но золотниковые насосы имеют большие быстроты откачки.
Двухроторные вакуумные насосы с обкатываемыми профилями (рис.8 и рис.15)
Для работы с большой быстротой действия при малых степенях сжатия удобны ротационные вакуумные насосы с обкатываемыми профилями.
В рабочей камере насоса расположены два ротора, напоминающие в сечении восьмерку, синхронно вращающиеся навстречу друг другу. Синхронность вращения обеспечивается с помощью закрепленных на валах роторов шестерен связи.
Вращение роторов обеспечивается синхронизирующей передачей. Профили роторов в этих насосах таковы, что при взаимной обкатке они не соприкасаются. В некоторых конструкциях маслозаполненных насосов синхронизирующая передача отсутствует и роторы соприкасаются. Наиболее распространены двухроторные конструкции.
Основным достоинством двухроторных насосов является отсутствие трения в роторном механизме, простота устройства и возможность хорошей динамической балансировки роторов, в связи с чем достигаются большие скорости вращения и высокая быстрота действия насосов при сравнительно малых габаритах и массе.
На рис. 15 показан ряд последовательных положений роторов при работе.
Газ передается со стороны впуска (слева) на сторону выпуска (вправо) постоянными объемами, заключенными между корпусом и впадинами роторов ( в положении а и d - нижнего, в положении v – верхнего ротора, положения б и г – промежуточные ).
Быстрота действия двухроторного насоса определяется объемом, удаляемых впадинами обоих роторов в единицу времени, с учетом обратного перетекания газа с выхода на вход через зазоры в роторном механизме. Эти зазоры сравнительно велики и если бы двухроторные насосы работали бы с выхлопом в атмосферу, их предельное остаточное давление составляло бы около 
Па. Поэтому двухроторные насосы имеют на выхлопе форвакуумный насос (чаще всего механический вакуумный насос с масленым уплотнением), иначе они не способны создавать низкие давления.
По способу сжатия газа ротационные вакуумные насосы с обкатываемыми профилями можно разделить на насосы с внешним, частично внутренним и внутренним сжатием. В насосах с внешним сжатием газ сжимается только в процессе нагнетания. К таким насосам относятся двухроторные насосы (насосы Руста), имеющие роторы с леминискатными профилями (рис. 8). За один оборот каждый из роторов дважды перебрасывает заштрихованный объем газа из области высокого вакуума в область предварительного разряжения. Роторы вращаются в разные стороны. Синхронность их вращения обеспечивается зубчатой передачей с передаточным числом, равным единице (обозначена на рисунке пунктиром).
Плунжерные вакуумные насосы
Используются в качестве форвакуумных для высоковакуумных насосов различного типа или насосов предварительного разряжения, предназначенных для понижения давления в откачиваемом объеме от атмосферного до значения, при котором начинает работу другой вакуумный насос или система насосов. Предельное остаточное давление, создаваемое насосами 1,0….0,1 Па.
В корпусе 1 (рис. 13) вращается эксцентрик 2 с надетым на него плунжером 3 . Газ из откачиваемого сосуда поступает в полость всасывания через окно 5 в прямоугольной части плунжера, который скользит в направляющей 6, свободно поворачивающейся в гнезде корпуса 1. При повороте эксцентрика 2 на некоторый угол от верхнего положения (а) окно 5 в прямоугольной части плунжера выходит из направляющей 6 вниз (б), полость всасывания соединяется с впускным патрубком насоса и газ поступает в полость всасывания (в), непрерывно увеличивающую свой объем, пока окно 5 не будет снова перекрыто (г). Одновременно в полости сжатия происходит сжатие и выталкивание газа через выхлопной клапан 4. Процесс напуска газа через окно напоминает работу золотникового распределительного устройства, поэтому насосы такого типа получили название золотниковых.
Молекулярные насосы
Как уже отмечалось ранее молекулярные насосы работают за счет передачи молекулам газа количество движения от твердой, жидкой или парообразной быстродействующей поверхности.
Турбомолекулярные вакуумные насосы
Широко используются для откачивания газа в области давлений всасывания вплоть до 
Па из различных объектов.
Насосы обладают следующими достоинствами: не «загрязняют» откачиваемый объем парами углеводородов или другими рабочими телами в сравнении с другими высоковакуумными насосами, например диффузионными, с распылением титана; имеют быстроту действия, мало изменяющуюся при откачивании газов и паров с различной молекулярной массой; просты в обслуживании, надежны в работе; стойки к прорыву атмосферного воздуха.
Конструктивная схема двухпоточного насоса представлена на рис 16. В корпусе 1 с установленными в нем неподвижными статорными дисками 2 вращается ротор, представляющий собой вал с расположенными на нем рабочими колесами 3, которые выполнены в виде дисков с выфрезерованными косыми радиальными пазами или в виде лопаточных колес; их лопатки установлены под определенны углом к торцевой поверхности втулки.
Радиальные косые пазыые стенки которых наклонены относительно плоскост диска под углом 
. Когда рабочие колеса выполнены в виде дисков с прорезями, в статорных колесах такой же формы прорези выполняются зеркально по отношению к прорезям роторных колес. Если рабочие колеса имеют лопатки, то и статорные колеса выполняют с лопатками, обычно с тем же углом установки, но зеркально отраженными по отношению к углу установки лопаток рабочего колеса. Для удобства монтажа статорные колеса разрезают по диаметру.
Между статорными дисками и валом ротора и между роторными дисками и корпусом насоса имеются зазоры.
При молекулярном режиме течения газа в насосе, т.е. при давлениях ниже 1 - 
Па, такая система подвижных и неподвижных пазов обеспечивает преимущественное прохождение молекул газа в направлении откачки. Ротор насоса устанавливают на подшипниках качения. Всасывающий патрубок выполнен в средней части корпуса. Нагнетательные полости, расположенные по торцам корпуса насоса объединены общим патрубком, к которому присоединен форвакуумный насос.
При вращении ротора насоса молекулам откачиваемого газа сообщается импульс в направлении выпускного патрубка. Динамический напор молекулярного газа, образующийся вследствие импульса, уравновешивает перепад давлений в проточной части насоса, которую составляют диски с пезами.
Эжекторные насосы
Принцип действия состоит в следующем.
Рабочее тело (газ, пар или вода) имеющее повышенное давление, поступает в сопло 1 (рис. 18 ), где потенциальная энергия сжатого рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию струи. Струя, получившая высокую скорость и имеющая низкое статическое давление, на выходе из сопла попадает в камеру смешения 2. В камере смешения откачиваемый газ увлекается рабочим телом и интенсивно смешивается с ним. Эта смесь, обладающая несколько меньшей, но все же значительной скоростью, попадает в диффузор 3, в котором сжимается за счет перехода кинетической энергии струи в потенциальную энергию давления.
На место удаляющееся из камеры смешения смеси поступают все новые порции газа, которые в свою очередь также смешиваются и увлекаются рабочим телом. На выходе из диффузора давление смеси будет меньше давления рабочего тела на входе в сопло, но значительно выше давления откачиваемого газа в камере смешения.
Эжекторные насосы работают в области давлений от атмосферного до 1 Па и могут применяться в вакуумных системах в качестве самостоятельных насосов или насосов предварительного разряжения.-+
Водоструйные насосы предназначаются для откачки воздуха и других газов от атмосферного давления до 100 Па.
На рис. 21 показана одна из конструкций водоструйного насоса. Работа насоса основана на использовании откачивающего действия струи воды, которая под давлением 
Па истекает из сопла 1.Откачиваемый газ в сфере действия струи перемешивается с нею и смесь воды с газом попадает затем в цилиндрическую камеру 2, за которой установлен расширяющийся диффузор. В диффузоре статическое давление смеси воды и газа за счет уменьшения скотости повышается до атмосферного давления. Смесь воды с газом стекает в бачок 3, откуда сливается в дренажную линию, присоединенную к патрубку 4. Для выхода газа из бачка во фланце 5 предусмотрено отверстие. Насос присоединяется к вакуумной системе через кран 8. Резервуар 7 предназначен для приема воды, засасываемой через диффузор из бачка в случае аварийного прекращения ее подачи. Через кран 6 подается воздух в резервуар при остановке насоса, что также предотвращает всасывание воды.
Производительность насоса возрастает с повышением давления воды. Предельное остаточное давление насоса практически равно упругости пара воды и увеличивается с повышением ее температуры.
Водоструйные насосы части часто применяют в системах безмаслянной откачки, например в системе предварительного разряжения высоковакуумного парортутного насоса, для сорбционного насоса, а также к качестве последней ступени пароэжекторного насоса.
Струйные насосы
Принципиальная схема струйного насоса, работа которого основана на откачивающем действии паровой струи, показана на рис. 20.
Источником пара является рабочая жидкость (ртуть или вакуумное масло), залитая в кипятильник 2, которая нагревается до рабочей температуры нагревателем 1. Образующийся при нагреве пар по паропроводящей трубе 3 поступает в сопло 5 , из которого с большой скоростью истекает в пространство рабочей камеры 6. Откачиваемый газ, поступающий через впускной патрубок 9, захватывается в рабочей камере струей и увлекается ею к охлаждаемым стенкам рабочей камеры, где пар конденсируется и кондесат по сливной трубе 8 возвращается в кипятильник, а газ, сжатый струей, выбрасывается через выпускной патрубок 10 и откачивается форвакуумным насосом.
Механизм увлечения газа паровой струей в пароструйных насосах поясняется на рис. 22. Как уже отмечалось, в эжекторных насосах при высоком давлении откачиваемого газа 
пар в струе на выходе из сопла должен иметь высокую плотность, чтобы при взаимодействии с откачиваемым газом струя не разрушалась.
В струйных насосах, откачивающих газ с давлением 
Па, струя не разрушается при меньшей плотности пара в ней. В данном случае увлечение откачиваемого газа струей пара происходит в результате трения между поверхностью струи пара и прилегающими к ней слоями газа (вязкостный захват), а также вследствие частичной диффузии молекул газа в приповерхностную часть струи. Подобный механизм увлечения откачиваемого газа паровой струей используется в бустерных насосах.
Диффузионные насосы предназначены для работы в области высокого и сверхвысокого вакуума, т.е. при давлениях ниже Па.
Простейший диффузионный насос (рис. 23) состоит из кипятильника 1, диффузионного сопла 2, закрепленного на паропроводе 6, холодильника 4, впускного и выпускного патрубков 3 и 5. Пары рабочей жидкости из кипятильника проходят по паропроводу через зонтичное сопло и конденсируются на стенках насоса, охлаждаемых холодильником. За время движения пара от конца сопла до стенок насоса в струю пара диффундирует откачиваемый газ. После конденсации образовавшейся парогазовой смеси выделившийся газ откачивается через выпускной патрубок насосом предварительного разряжения, а сконденсированный пар стекает по стенкам насоса в кипятильник через зазор между паропроводом и корпусом насоса.
На рис. 24 показана конструктивная схема многоступенчатого вакуумного насоса, в котором использованы две диффузионные 1 и 2 и эжекторная ступени откачки, питающиеся от одного кипятильника 5. Корпус насоса 3 охлаждается водой.
В качестве рабочей жидкости пароструйных насосов применяется ртуть, минеральные масла, сложные эфиры органических спиртов, кремний органические соединения.
Отличительной особенностью характеристики диффузионных насосов является постоянство быстроты действия в рабочем диапазоне давлений.
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 22; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!