Способы получения и контроля вакуума

2.1 Общая характеристика вакуумных насосов

Для создания в установках требуемой степени разрежения приме­няют разнообразные вакуумные насосы.

Вакуумные насосы классифицируются по назначению на низковаку­умные, средневакуумные, высоковакуумные и сверхвысоковакуумные, а в зависимости от принципа действия - на механические и физико-хи­мические.

2.2 Механические вакуумные насосы (Форвакуумные)

По характеру воздействия на откачиваемые газы механические на­сосы разделяются на объемные и молекулярные. Объемные насосы осу­ществляют откачку за счет периодического изменения объема рабочей камеры. Конструктивные варианты: поршневые, жидкостно-кольцевые и ротационные. Молекулярные насосы работают за счет передачи молеку­лам газа количества движения от твердой, жидкой или парообразной быстродвижущейся 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.

2.3. 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 находящегося в ней газа; 3) удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу или насос предварительного разрежения. В зависимости от выбора конструктивной схемы объемные насосы делятся на поршневые, жид­костно-кольцевые и ротационные.

В поршневых откачка осуществляется за счет периодического из­менения объема цилиндра. Быстрота действия современных поршневых насосов составляет 10...4000 л/с. Предельное давление достигает 10 Па. Недостатки поршневых насосов - неравномерность процесса откач­ки, неполная уравновешенность, большие потери на трение и большая удельная масса.

Быстрота действия жидкостно-кольцевых насосов лежит в преде­лах от 25 до 500 л/с. Предельное давление водокольцевых насосов 2000 Па. Насосы могут работать от атмосферного давления. Недостат­ки насосов - большой удельный расход мощности из-за необходимости перемещения жидкости, находящейся в насосе, и большая удельная масса.

Жидкостно-кольцевые насосы, рис.2.4. имеют в цилиндрическом корпусе 1 эксцентрично расположенное рабочее колесо 2 с неподвижно закрепленны­ми лопатками. Жидкость внутри кор­пуса под действием центробежных сил прижимается к стенкам корпуса и создает жидкостное кольцо 4. Между кольцом и лопатками образуются ячейки, их объем вначале увеличивается, и газ через отверстие 3 поступает в насос. Затем объем уменьшается, и сжатый газ через отверстие 5 удаляется.

Рис. 2.4.

Ротационные вакуумные насосы имеют несколько конструктивных модификаций. Пластинчато-роторный насос, рис.2.5. содержит цилиндрический

Рис. 2.5.

корпус 7 с впускным 4 и выпускным 3 патрубками и эксцентрично распо­ложенный ротор 6, в пазах которого установлены пластины 5. Под дейс­твием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение объема рабочей камеры.

Уплотнение зазоров, предотвращающее перетечку газа, осуществляется вакуумным маслом.

Предельное давление одноступенчатых роторных насосов достига­ет 1 Па, двухступенчатых 0,001 Па. Оно определяется кроме газовы­деления материалов насоса объемом вредного пространства и давлением насыщенных паров масла.

2.4. Пароструйные насосы

Относятся к молекулярным насосам. Принцип их действия основан на передаче молекулам газа количества движения от парообразной быстродвижущейся поверхности. Подразделяются на эжекторные и диф­фузионные.

Взаимодействие откачиваемого газа со струей пара зависит от глубины вакуума. При низком вакууме молекулы, находящиеся в погра­ничном с паровой струей слое за счет внутреннего трения увлекают другие слои газа. По этому принципу работают эжекторные насосы.

В области высокого вакуума все молекулы откачиваемого газа, перемещаясь за счет самодиффузии, непосредственно взаимодействуют с движущейся струей пара. По этому принципу работают диффузионные насосы. Пароструйный насос не может работать самостоятельно, а всегда в комплексе с насосом предварительного вакуума, как прави­ло, с вращательным вакуумными насосами обьемного действия.

Корпуса пароструйных насосов изготавливают из стекла и метал­ла. К достоинствам стеклянных насосов относят простоту изготовле­ния и надежную герметичность; к недостаткам - слабую стойкость стекла к механическим и термическим воздействиям.

Эжекторный насос, рис. 2.15., состоит из кипятильника 1, сверхзвукового - эжекторного сопла Лаваля 2, камеры смешения 5, впускного и выпускного фланцев 3 и 4. Камера смешения теплоизолирована от корпуса насоса. На выпускном патрубке имеется холодильник 6, охлаждаемый проточной водой, сконденсировавшийся на его стенках пар стекает в кипятильник по трубке 7, обеспечивающей непрерывную циркуляцию рабочей жидкости в насосе.

Рис. 2.15.

Диффузионный насос, рис.2.16., 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 раз­режения, а сконденсировавшийся пар стекает по стенкам в кипятиль­ник.

Рис.2.16.

Применяют многоступенчатые насосы, например насос с двумя диффузионными ступенями 1, 2 и эжекторной 4 ступенью откачки, рис. 2.22. На схеме 3 - холодильник, 5 - кипятильник, общий для всех ступеней.

Рис. 2.22.

К рабочим жидкостям пароструйных насосов предьявляют следую­щие требования: 1) минимальная упругость паров при комнатной тем­пературе и максимальная при рабочей температуре в кипятильнике; 2) стойкость к разложению при нагревании; 3) минимальная способность растворять газы; 4) химическая стойкость к откачиваемым газам; 5) малая теплота парообразования.

Минимальная упругость паров при 20ºС нужна для получения наи­меньшего предельного давления насоса. Максимальное давление паров при рабочей температуре увеличивает выпускное давление и снижает требуемую мощность подогревателя. Растворимость газов в рабочей жидкости приводит к увеличению обратного потока. При малой теплоте парообразования нужна меньшая мощность нагревателя.

В качестве рабочей жидкости применяют ртуть, минеральные мас­ла, сложные эфиры органических спиртов и кислот, кремнийорганичес­кие соединения. Ртуть (Р1, Р2), стойка к окислению, однородна по составу, не разлагается, не растворяет газы и обладает высокой уп­ругостью паров при нагреве. Но ртуть ядовита, химически активна к цветным металлам и обладает высокой упругостью паров при 20ºС.

Минеральные масла (ВМ1, ВМ5) получают из нефти. Характеризу­ются низкой упругостью пара при комнатной температуре и удовлетво­рительной термостойкостью, однако они образуют смолистые налеты на деталях насоса и окисляются.

Эфиры и кремнийорганические жидкости имеют очень низкое дав­ление паров при комнатной температуре и высокую стойкость к окислению, но они дороги, поэтому применяются ограниченно - для получения сверхвысокого вакуума.

2.5. Ловушки

Так как предельное давление пароструйных насосов обусловлено обратным потоком паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект, его можно уменьшить, применяя ловушки: конденсирующие, диссоциирующие, адсорбирующие. Ловушка должна удовлетворять двум противоречивым требованиям: обладать максимальным защитным дейс­твием и наибольшей удельной проводимостью.

Для охлаждения конденсирующих ловушек, рис. 2.24., применяют воду; смесь льда и NaCl - позволяет достичь -18ºС; смесь льда и CaCl₂ - позво­ляет достичь -48ºС; твердую углекислоту со спиртом -78ºС; фреон -120ºС; жидкий воздух -183ºС; жидкий азот -186ºС.

Рис. 2.24.

Дата добавления: 2014-01-13