Пароструминний насос Геде

Пароструминні насоси відносяться до молекулярних насосів. Їх відкачувальна дія виникає завдяки дії молекул струменя пари робочої рідини на молекули газу, що надходять в насос з вакуумної системи через впускний отвір і виштовхуються до випускного отвору. Слід мати на увазі, що пароструминні насоси не можуть працювати самостійно, а завжди входять до вакуумної системи з насосом попереднього вакууму.

В якості насосів попереднього вакууму використовують головним чином обертові насоси, при цьому необхідно намагатися з’єднувати випускний патрубок пароструминного насоса з впускним патрубком обертового так, щоб випускний тиск пароструминного насоса і впускний тиск обертового насоса відрізнялись несуттєво.

Перший парортутний насос сконструював Геде в 1915 р. Це був пароструминний насос, робочою рідиною в якому була ртуть і який працював наступним чином. Об’єм V, в якому знаходиться газ, який необхідно відкачати, за допомогою капілярної трубки приєднується до трубки АВ, через яку проходить пара робочої рідини (рис. 12.1).

Рис. 12.1

Через отвір O капіляра виникає дифузія газу і пари один в одного. Щоб пара не проникла в об’єм V і газ швидко дифундував у пару, капіляр охолоджується до температури Т, достатньої для конденсації тільки пари робочої рідини. В результаті газ буде захоплюватися парою і видалятися з об’єма V, а пара при стиканні з охолодженою стінкою капіляра перетвориться в робочу рідину. У зв’язку з чим тиск газу в об’ємі V буде знижуватися до тиску пари, що відповідає тепературі охолодження Т. Трубка, що приєднує об’єм V до трубки АВ повинна бути капілярною, щоб молекули пари мали більшу імовірність стикання зі стінкою для конденсації ніж проникнення до об’єму V. Тобто діаметр капіляра повинен бути меншим за середню довжину вільного пробігу молекул пари. Ця умова відповідає молекулярному режиму течії газу, а тому можна зробити такі висновки:

а) швидкодія відкачки при досягнені молекулярного режима буде постійною, тобто не залежати від тиску;

б) швидкодія відкачки буде дуже малою, оскільки малий діаметр капіляра;

в) діаметр капіляра можна збільшити, якщо попередньо знизити тиск, оскільки із зниженням тиску збільшується середня довжина вільного пробігу;

г) теоретично граничний тиск буде нульовим, оскільки швидкодія не залежить від тиску, але в дійсності швидкодія обмежена тиском насиченої пари при температурі охолоджувача, а також зворотньою дифузією молекул пари до об’єму V, яку неможливо виключити повністю, оскільки відповідно до молекулярно-кінетичної теорії газів завжди є імовірність проходу деякої кількості молекул пари через капіляр без конденсації.

Наявність капіляра, що значно знижує швидкодію, робить насос Геде непридатним для практичного застосування.

12. 2. Дифузійно-конденсаційний насос Ленгмюра

Ленгмюр в 1916 р. суттево поліпшив конструкцію насоса Геде, виключивши капіляр і зробивши так, що газ з об’єму V видалявся парою за більш швидкої взаємної дифузії молекул пари і газу. Його насос, який отримав широке розповсюдження та розвиток, складався з двох коаксіально розміщених трубопроводів (рис. 12.2), причому середня довжина вільного пробігу молекул пари на виході з внутрішнього тробопроводу була за порядком такою ж, що і проміжок між трубопроводами. За такої умови пара конденсується на внутрішній стінці зовнішнього трубопровода, що інтенсивно охолоджується, раніше, ніж вона зможе піднятися до відкачуваного об’єму V. В той же час взаємна дифузія молекул газа об’єма V і пари, буде протікати до конденсації пари, потіком якої газ буде захоплюватися і напрямлятися до випускного отвору.

Після конденсації пари захоплений з об’єма V газ видаляється насосом попереднього розрідження.

Умова відносно довжини проміжку між трубопроводами є важливою:

а) якщо пара буде з низьким тиском, то при молекулярному режимі (рис.12.3, а) число взаємних зіткнень між молекулами пари і газу буде незначним і газ буде мало видалятися або зовсім не видалятися;

Рис. 12.2

б) навпаки, при високому тиску пари, коли середня довжина вільного пробігу молекул дуже мала (рис.12.3,в), велике число зіткнень між молекулами пари призведе до розповсюдження за всіма напрямами, відповідно і догори, де їх більша кількість не буде конденсуватися і потрапить до об’єму V, витісняючи відкачуваний газ;

в) тільки при такому тиску, що середня довжина вільного пробігу молекул буде мати такий же порядок, як проміжок між внутрішнім і зовнішнім циліндрами (рис. 12.3,б), тоді молекули пари будуть швидко конденсуватися на охолодженій стінці і не будуть розповсюджуватися догори, а число взаємних зіткнень між молекулами пари і газу буде достатньо великим, щоб була ефективною дифузія, захоплення газу з об’єма V і направлення його до насоса попереднього розрідження.

Рис. 12.3

Таким чином умовою ефективної роботи насоса Ленгмюра буде:

а) при взаємних зіткненнях молекул пари і газу потрібно, щоб останні отримували основний напрям - в бік до попереднього розрідження;

б) до об’єма V повинно потрапляти за можливостю якомога менша кількість молекул пари робочої рідини;

в) для ефективної відкачки число взаємних зіткнень між молекулами пари робочої рідини і молекулами газу, що відкачується з об’єму V, повинно бути якомога більшим.

Насоси Ленгмюра мають такі головні характеристики:

а) при різниці радіусів зовнішнього і внутрішнього циліндрів за порядком одного міліметра й діаметрі внутрішнього циліндра порядку 10 мм. швидкодія дорівнює 1 л / с, що приблизно в 100 раз більше ніж у насоса Геде;

Рис. 12.4

б) швидкодія постійна лише у вузьких межах тиску, що відповідає середній довжині вільного пробігу молекул пари, що має такий же порядок, як різниця радіусів зовнішнього і внутрішнього циліндрів і зменшується по обидва боки від цієї межі;

в) початковий тиск на порядок більше ніж у насоса Геде і дорівнює приблизно 1 Торру.

Типова залежність швидкодії дифузійного насоса від тиску наведена на рис.12.4.

Рис. 12-4.

Процес дифузії газу в струмінь пари не залежить від тиску на випускному патрубку, тому швидкодія насоса в широких межах залишається постійною. Зменшення швидкодії при низькому тиску(відрізок ab) обумовлене головним чином зворотньою дифузією газу через струмінь пари, а при високому тиску(відрізок c d) – відривом струменя від стінок насоса, що супроводжується перетіканням газу від випускного патрубка до вакуумної камери.

12. 3. Парортутні дифузійні насоси

Спочатку в дифузійних вакуумних насосах робочою рідиною була ртуть, яка мала велику теплопровідність. Її пара легко конденсується при охолодженні до 20С і тиск пари за цією температурою, тобто граничний тиск насоса, є досить низьким ~ Торр.

Рис. 12.5.

Першим пароструминним насосом зі ртуттю в якості робочої рідини був скляний парортутний дифузійний насос. Він був виготовлений зі скла (рис.12.5), яке є одним з широко розповсюджених вакуумних матеріалів, і добре забезпечував повну герметичність насоса, який міг мати різні розміри й форму і складався з електричного нагрівача 1 ртуті до температури кипіння, що не перевищувала 120С, випарювача зі ртутю 2, паропровода 3, за допомогою якого пара ртуті надходила через сопло 4 (внутрішній циліндр) до зовнішного циліндра-охолоджувача 5, стінка якого безперервно охолоджувалась проточною водою, що надходила до водяної оболонки 6 через нижній і виходила через верхній отвори відповідно. Газ, який необхідно відкачати, внаслідок теплового руху молекул надходить до насоса через впускний патрубок 7 і після дифузіі в струмінь пари, що вилітає з сопла, виноситься в напрямку струменя до випускного патрубка 8, а пара ртуті після зіткнення з холодною стінкою конденсуються і перетворються в рідину і стікає донизу через трубку 9 до випарювача. Рідинна ртуть у трубці 9 здійснює ртутний затвор, завдяки якому ртутна пара з випарювача не може надходити до охолоджувача іншим шляхом ніж тільки через сопло. Вигнута форма трубки 9 завдяки кращим пружним якостям запобігає деформаціям насоса, що виникають при різниці температур охолоджувача і випарювача.

Вітчизняна промисловість серійно не випускає скляні парортутні насоси, оскільки вони мають багато недоліків, що пов’язані головним чином з низькою міцністю скла як щодо механічних, так і термічних впливів.

12. 4. Металеві парортутні дифузійні насоси

Рис. 12.6

Металеві дифузійні насоси міцніші і можуть мати значно більші розміри, а відповідно і більшу швидкодію. Вони дозволяють використовувати потужніші нагрівачі, за допомогою яких можна досягати більших динамічних тисків пари і працювати при значно меншому попередньому розрідженні.

Принципово будова металевого дифузійного насоса (рис. 12.6) не дуже відрізняється від скляного. Він має такі ж складові елементи, як випарювач 1 зі ртуттю, паропровід 2, парасольчате сопло 3, водяний охолоджувач 4, впускний 5 і випускний 6 патрубки і електричний нагрівач 7. Різняться вони тільки конструкцією сопла, яке у металевих парортутних насосів має форму парасольки і направляє струмінь пари ртуті донизу.

12. 5. Течія газів через трубопровід змінного діаметра. Рівняння Бернуллі

Відкачувальна дія дифузійних парортутних насосів виникає в результаті взаємної дифузії молекул газу, що відкачується та молекул пари і протікає при молекулярному режимі течії газу. Однак відкачювальна дія при протіканні струменя пари може виникати і при в’язкісному режимі течії газу.

Якщо робоча речовина (рідина, чи її пара) переміщується через трубку зі змінним поперечним перерізом (рис.12.7), то виникає різниця тисків, яку можна визначити за рівнянням Бернуллі:

, (12.1)

де – густина робочої речовини, та – швидкості в перерізі , відповідно.

Як видно із залежності тиска уздовж трубки (рис.12.7), у місці звуження тиск знижений.

Якщо приєднати до цього місця вакуумну камеру, то газ, що знаходиться там, почне рухатись разом з рідиною в результаті захоплення струменем робочої речовини з причини внутрішнього тертя; імпульс від молекул, що знаходяться в більш рухливому шарі струменя, передається молекулам шару, який рухається повільніше, а тепловий рух призводить до змішування молекул сусідніх шарів.

Робочою речовиною може бути вода або її пара, чи пара ртуті або спеціального вакуумного масла. Насоси, в яких робочою рідиною є вода, називаються водоструминними (рис.12.8) з такими головними елементами: струменепровід 1, ежекторне сопло 2 і дифузор 3.

Рис. 12-9.

Водоструминні насоси мають граничний тиск ~ 5 Торр. Це високий тиск, що відповідає низькому вакууму. Позитивною якістю таких насосів є велика швидкодія ~ 0,1 л / с і проста конструкція.

Для отримання більш високого вакууму і великої швидкодії використовують пароежекторні насоси. Одним з головних елементів цих насосів є ежектор.

Рис.

Ежектор – це надзвукове сопло, що розширюється (рис.12.9). Струмінь пари, що виходить з сопла 1, потрапляє в камеру 2, де розширюється. Форму сопла вибирають таку, щоб пара, яка виходить з нього, мала швидкість більшу ніж швидкість звуку. На межі струменя виникає турбулентний шар, де молекули пари інтенсивно перемішуються з молекулами газу відкачувальної камери і отримують імпульс в напрямі руху струменя. Парогазова суміш з камери змішування 2 потрапляє до дифузору 3, що розширюється і де швидкість потоку зменшується, а тиск збільшується.

Дійсно, з рівняння Бернуллі випливає, що

=+. (12.2)

	Рис. 12.9

Насос з ежектором має велику швидкодію (50 –100 л / с) в межах тиску Торр, тобто в області, де обертові пластинчаті насоси мають граничний тиск.

У зв’язку з цим ежекторні насоси розміщують між високовакуумним і насосом попереднього вакууму, а для отримання ще меншого тиску їх роблять багатоступінчатими, тоді граничний тиск знижується до Торр. До недоліків слід віднести залежність швидкодії насоса від тиску газа.

12. 6. Двоступінчасті металеві парортутні насоси

Металеві парортутні насоси, виготовляються головним чином багатоступінчастими від двох до трьох ступенів, у них використовують як ежекторні, так і дифузійні сопла.

На рис. 12.10 наведена будова циліндричного двоступінчатого парортутного насоса для отримання високого вакууму.

Рис. 12.10

Насос складається з ртутної камери-випарювача 1, що знаходиться в нижній частині і нагрівається електричною плиткою, паропровода 2, через який пари ртуті потрапляють до парасольчатих сопел 3 і 4, випускного патрубка 5, що охолоджується водою, як і сам насос, та впускного патрубка 6, що має відносно великий поперечний переріз і розміщений у верхній частині. Великий поперечний переріз впускного патрубка знижує його опір молекулярному потоку газу, що відкачується і збільшує швидкодію насоса.

Пара ртуті після конденсації на стінці охолоджувача перетвориться в рідинну ртуть і стече до випарювача, який відокремлений від верхньої частини насоса спеціальною перегородкою.

Дифузійне сопло 4 розраховане на роботу з більшою швидкодією, ніж ежекторне сопло 3 (в місці звуження насоса), але на менший випускний тиск. Оскільки верхнє сопло знаходиться на більшій відстані від випарювача і частина пари вийде через сопло 3, то густина пари, що виходить з нього, буде меншою, ніж пари біля сопла 3. Швидкість же пари, що виходить з нижнього ежекторного сопла, буде більшою, ніж з дифузійного верхнього, тому випускний тиск біля випускного патрубка буде більшим, що й потрібно досягти.

Завдяки високому випускному тиску (~20 Торр), але зменшеній швидкодії такі вакуумні насоси застосовують як допоміжні (бустерні) і використовують спільно з високовакуумним і обертовим попереднього розрідження насосом, якщо неохідно відкачувати велику кількість газу.

Насоси малих розмірів мають висоту 30 см і діаметр 7 см. Швидкодія таких насосів може досягати ~5 л/с за тиском Торр. Якщо ж розміри насоса збільшити приблизно в десять разів, то можна досягти швидкодії 10 000 л/с.

Щоб досягти граничного тиску Торр, тобто значно нижчого ніж Торр,необхідно між насосом і вакуумною камерою розміщувати охолоджувальну пастку для ртутної пари з охолодженням до -78С (наприклад твердою вуглекислотою).

12. 7. Переваги й недоліки парортутних насосів

Рис. 33

В якості робочої рідини парортутних дифузійних насосів використовують чисту ртуть марок Р-1 та Р-2. Оскільки ртуть є хімічним елементом (без складових), то температура кипіння залишається постійною, що забезпечує постійний тиск насиченої пари. Вона не змочує стінок як зі скла, так і сталі, що дозволяє робити проміжок між внутрішнім і зовнішнім циліндрами малим, не побоючись його залипання. Навіть при прориві повітр’я до працюючого насоса ртуть залишається хімічно неактивною і може використовуватися для подальшої роботи. Завдяки цьому парортутні насоси довговічні.

У той же час до їх суттєвих недоліків слід віднести шкідливість пари ртуті для організму людини. Вона хоча і в невеликій кількості потрапляє через насос попереднього розрідження до оточуючого середовища. Окрім цього, щоб пара ртуті не потрапляла до вакуумної системи, необхідно додатково використовувати виморожуючі пастки.

Шкідливість пари ртуті викликала необхідність пошуку її замінників.

12. 8. Паромасляні насоси

Довготривалі пошуки заміни ртуті привели до розробки паромасляних вакуумних насосів, тобто насосів, робочою рідиною в яких було спеціальне вакуумне масло. Такі масла застосовують і сьогодні, але на відміну від ртуті вони не однорідні, а є сумішшю великої кількості фракцій, які мають як різні температури кипіння, тиск насиченої пари, так і інші якості. У зв’язку з цим ці масла при нагріванні розкладаються на легкі та важкі фракції. Утворення легких фракцій збільшує пружність пари і якщо їх безперервно не видаляти, то це приведе до зростання граничного тиска, тобто погіршення роботи насоса.

12. 8. 1. Робочі рідини для паромасляних насосів

Масла, які можна використовувати для забезпечення роботи паромасляних насосів, повинні задовольняти наступним вимогам:

1) мати низький тиск насиченої пари при кімнатній температурі, щоб можлна було відмовитися від виморожуючих пасток;

2) мати якомога більшу термічну стійкість, тобто не розкладатися на фракції при нагріванні до високих температур;

3) мати якомога більшу термоокислювальну стійкість при прориві до нагрітого масла атмосферного повітря;

4) мати низьку поглинальну властивість відносно газів;

5) мати малу теплоту пароутворення.

Таким вимогам добре задовольняють високомолекулярні синтетичні рідини, що називаються кремнійорганічним або силіконовим маслом, до складу яких входять вуглеводні й окис кремнію.

Широке розповсюдження отримала вакуумна кремнійорганічна рідина ВКР-94А. Тиск її насиченої пари 5 Торр при 20С, хоча вона має порівняно високу вартість.

Для насосів спеціального призначення використовують поліфенилметилсилоксанові суміші марок ПФМС-1, ПФМС-2 та ПФМС-3, які мають ще більш високу термоокислювальну стійкість.

Широке застосування мають менш вартісні рідини у вигляді складних ефірів та масла, які отримують шляхом дистиляції нафти і називаються відповідно октойлями ОФ і ОС та мінеральним маслом марки ВМ-1 або ВМ-2.

Октойл ОФ – фталат октилу СH(COOCH)і октойл ОС– себакат октилу СH(COOCH)мають низький тиск насиченої пари, хоч і більший на один порядок за тиск рідини ВКР-94А, але їх термічна й термоокислювальна стійкість низька. При прориві до працюючого насоса атмосферного повітря вони стають непридатними для подальшої роботи.

Мінеральні масла ВМ-1 або ВМ-2 отримують в результаті розгонки під вакуумумом медичного вазелінового масла. При нагріванні легкі фракції починають випарюватися вже при 80С одночасно з видаленням повітря та вологи, яка розчинені в маслі. Подальше нагрівання до 220-230С призводить до випарювання більш важких фракцій, які збирають і використовують для роботи паромасляних насосів. Тиск насиченої пари цих масел такий же, як тиск рідини ВКР-94А, але термічна та термоокислювальна стійкість низька.

12. 9. Металевий розгінний паромасляний насос

Оскільки при нагріванні вакуумного масла спочатку випарюються легкі фракції, а потім важкі, то доцільно використовувати це, тобто розгонку, в дифузійних насосах. У розгінних паромасляних насосах відбувається автоматичне розділення масла на фракції, через деякий час після початку його роботи важкі фракції масла концентруються у паропроводі, що зв’язаний з високовакуумним соплом. Автоматична розгонка дозволяє досягти стійкого граничного тиску не нижче ніж Торр.

Розглянемо будову і принцип роботи високовакуумного паромасляного насоса ММ-40А, який є розгінним і двоступінчастим. Поздовжній розріз дифузійного насоса ММ - 40А наведено на рис. 12.11.

Рис. 12-11.

Консруктивно насос складається з трьох коаксіально розміщених металевих циліндричних паропроводів. Два внутрішніх циліндри з одного кінця мають парасольчате сопло, а другий кінець занурений в резервуар з робочою рідиною(вакуумним маслом). Зовнішній циліндр приєднаний відкритим кінцем до відкачної камери, частина його поверхні охоплена камерою водяного охолодження. Пара, що утворюється при нагріванні робочої рідини (вакуумного масла) в резервуарі 1, який ще називають загальним випарювачем, потрапляє до дифузійних сопел 12, 13 через самостійні канали. До верхнього сопла вона потрапляє через перший внутрішній циліндр-паропровід 6, а до нижнього – через другий циліндр 3, до якого пара потрапляє через кільцеву щілину, що створена між ними в розширенні циліндра 3. Між корпусом насоса (зовнішній циліндр) 5 і другим циліндром у нижній частині створена камера 20 у вигляді вузької кільцевої щілини, куди стікає масло після конденсації на внутрішній поверхні охолоджувача 13. Насос охолоджується водою, яка підводиться під тиском обовязково до нижнього патрубку 7 і відводиться через верхній патрубок 8. Вода повинна бути чистою, щоб при єксплуатації не засмічувати осадками охолоджувач, який є вузьким проміжком між корпусом насоса і водяною оболонкою. З камери 20 масло перетікає через невеликі отвори до камери 21, а потім таким же чином до камери 19 і, нарешті, до центральної камери 18 загального для усіх камер випарювача-резервуара 1. Камери 19, 21 відокремлені між собою спеціальним розподільним циліндром 2 у вигляді стакана з невеликими отворами в нижній частині для перетікання масла. За такої будови насоса при нагріванні виникає розгонка масла, тобто відокремлення та використання пари легких фракцій масла.

Спочатку розрідження газу буде створюватись першим ступенем насоса під дією струменя пари легких фракцій масла з сопла 14, які почнуть випарюватися при нижчій температурі (> 180С), а потім другим ступенем під дією струменя пари більш важких фракцій масла з верхнього сопла 12, які почнуть випарюватися при вищій температурі (<220С). Такий насос може працювати з менш стійким маслом і забезпечувати порівняльно низький граничний тиск (3 Торр).

Рис. 12.11.

Щоб зменшити зворотній потік пари масла, що нагрівається в камері 20, над нею установлені манжети 17 і розміщуються дещо нижче отвору 16 випускного патрубка 15. Для зменшення граничного тиску між впускним отвором насоса 10 і високовакуумним соплом 12 розміщується дефлектор 11. Потік пари масла, що потрапляє на поверхню дефлектора, відзеркалюється, а також частково конденсується, що зменшує проникнення його до вакуумної системи.

Нагрівання масла здійснюється приєднанням до насоса плоского нагрівача-електроплитки 22 з відкритою спіраллю. Центральна частина випарювача, де скупчуються найбільше важкі фракції масла, повинна нагріватись більше, ніж інші частини. З цією метою у випарювачі розміщують металеву шайбу, що має виїмку посередині. Закріплюється насос спеціальною поличкою 9.

Насос створює найбільший випускний тиск у межах 0,05-0,1 Торр, і має швидкодію 30-40 л/с вмежах робочого тиску - Торр.

Розігрівається насос, тобто виходить на робочий режим через 20-25 хв. після підключення нагрівача. На початку роботи може виникати інтенсивне газовиділення з масла газів, що поглинуло масло після приєднання насоса до вакуумної системи, але через 20-40 хв. насос починає працювати на повну потужність. Щоб запобігти газовиділенню потрібно після вимикання нагрівача утримувати насос під вакуумом.

Дата добавления: 2014-01-07