Диффузионные паромасляные насосы

Диффузионные паромасляные насосы являются наиболее распространенными средствами для получения высокого и сверхвысокого вакуума в промышленных установках различного назначения: от простейших откачных постов и напылительных установок до ускорителей элементарных частиц. Диапазон рабочих давлений той или иной конструкции насоса зависит от качества рабочей жидкости и особенностей конструктивного исполнения. Рабочие жидкости диффузионных паромасляных насосов должны иметь: минимально возможную упругость пара при комнатной температуре и высокую упругость пара при рабочей температуре в кипятильнике; малую способность к растворению откачиваемых газов; малокомпонентный состав; высокую термоокислительную стабильность и термостойкость; достаточную вязкость при рабочей температуре в кипятильнике для обеспечения хорошей циркуляции масла в насосе.

Подавляющее большинство современных высоковакуумных пароструйных насосов работает при давлении ниже 1,33×10^-1Па. При этом количество газа, находящегося в откачиваемом объеме, становится малым по сравнению с количеством газа, адсорбированного стенками объема и находящейся в нем аппаратуры. Соответственно этому пароструйные насосы в основном предназначены либо для уравновешивания газовыделений со стенок откачиваемого объема и натекания через неплотности, либо для удаления газов, выделяющихся при нагреве, плавлении и распылении используемых материалов.

Пароструйные насосы можно разделить на две группы. К первой группе относятся высоковакуумные пароструйные насосы, имеющие наибольшую быстроту действия в диапазоне давлений 1,33×10^-7Па - 1,33×10^-2Па и сравнительно небольшое выпускное давление (около 1,33×10 Па. Насосы этой группы имеют следующие особенности: большое сечение впускного сопла (обращенного или зонтичного типа), обеспечивающее большую скорость откачки газа; малый перепад давлений откачиваемого газа между разделенными струей пара частями насоса; несколько ступеней с постепенно уменьшающейся быстротой действия и соответственно возрастающей способностью, выдерживать более значительные перепады давлений; низкое давление пара в струе за счет использования маломощных электронагревателей.

Ко второй группе пароструйных насосов относятся вспомогательные (бустерные) насосы, имеющие наибольшую быстроту действия при давлениях 1,33×10^-1Па -1,33Па. и выше и выпускное давление до нескольких миллиметров ртутного столба. Для насосов этой группы характерны следующие особенности: небольшое сечение впускного патрубка; сопла, рассчитанные на большой перепад давлений; высокое давление пара, получаемое за счет использования мощных электронагревателей.

На практике эффективная быстрота откачки насоса значительно снижается за счет установки маслоотражателя, высоковакуумного затвора, охлаждаемой ловушки, а также наличия соединительного трубопровода между насосом и откачиваемым объемом.

Введение устройства для самоочищения масла и улучшенного фракционирования, а также замена конструкционной стали на малогазящую нержавеющую сталь при изготовлении корпуса насоса позволяют получить предельный вакуум 6,65×10^-5Па. при использовании резиновых уплотняющих прокладок.

Замена резиновых прокладок металлическими позволяет при работе на масле ВМ-5 и прогреве откачиваемого объема улучшить предельный вакуум еще на один порядок. Снабжение конструкции насоса выходной эжекторной ступенью заданной производительности с одновременным увеличением мощности подогрева позволяет продлить верхний предел рабочего диапазона до давлений 1,33×10^-1Па. и получить в насосах выпускное давление около 6,65×10 Па.

На величину предельного вакуума существенное влияние оказывают также условия предварительной откачки. Это влияние объясняется проникновением легких газов в результате обратной диффузии из системы предварительного разрежения в высоковакуумную систему, скоплением продуктов разложения рабочей жидкости паромасляного насоса в высоковакуумном объеме, когда насос предварительного разрежения не в состоянии их откачать, а также попаданием вредных примесей из механического наcoca предварительного разрежения в сторону высокого вакуума.

Влияние этих трех факторов может быть значительно ослаблено в результате резкого снижения давления на выпускном патрубке высоковакуумного насоса включением между ним и механическим насосом вспомогательного высоковакуумного или бустерного насоса. Поскольку количество растворенного в рабочей жидкости газа пропорционально давлению, при котором происходит растворение, то при последовательном включении вспомогательного насоса насыщенность рабочей жидкости газом значительно снижается и наблюдается эффект, равноценный обезгаживанию конденсата на пути к холодильнику.

При использовании паромасляных насосов в напылительных установках исключительно важное значение имеет максимальное снижение миграции паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объем, которая для большинства насосов составляет в среднем 0,1—0,01% от количества пара, истекающего из верхнего сопла насоса, что соответствует 1—5 мг/ч-см² по сечению входного отверстия насоса.

Миграция паров рабочей жидкости резко возрастает в процессе пуска и остановки насоса, что часто является причиной загрязнения откачиваемого объема рабочей жидкостью даже в том случае, когда в нормальном установившемся режиме миграция незначительна. Поэтому запуск и выключение, паромасляного насоса следует производить только после предварительного перекрытия впускного патрубка насоса высоковакуумным затвором.

Высоковакуумные паромасляные насосы. Устройство трехступенчатого высоковакуумного фракционирующего паромасляного насоса показано на рис.2.40. Пар рабочей жидкости из испарителя поступает по концентрично расположенным паропроводам к рабочим соплам насоса (движение пара показано на рис. 2.41, а стрелками), верхнее (входное) сопло, которое питается паром из центрального паропровода, практически определяет величину предельного давления и максимальной скорости откачивающего действия насоса. Зазор между входным соплом и корпусом устанавливается поэтому максимально возможным. Последующие ступени насоса имеют меньший зазор между соплом и корпусом, что обеспечивает необходимый коэффициент сжатия откачиваемого газа. Конструкция последней ступени (выходной) определяет величину наибольшего выпускного давления, которая для большинства высоковакуумных паромасляных насосов не превышает 26,6 Па.

Для создания больших значений выпускного давления в качестве выходной ступени используется эжекторное сопло. Следует отметить, что совместная работа диффузионной и эжекторной ступеней от одного испарителя возможна не во всех конструкциях насосов, так как для нормальной работы эжекторного сопла необходим пар большого давления.

В центральный паропровод, питающий входное сопло, поступает масло, практически очищенное от легких фракций, образующихся в испарителе в результате термического разложения масла или его окисления при внезапных прорывах атмосферного воздуха в работающий насос. С этой целью испаритель насоса выполняется в виде лабиринта (рис. 2.41, б). Из конденсата рабочей жидкости, проходящего большой путь по лабиринт, в первую очередь испаряются легкие фракции, которые поступают преимущественно в выходные ступени насоса. Таким образом, происходит непрерывное разделение масла по фракциям (фракционирование) непосредственно в работающем насосе.

Выпускаемые промышленностью металлические высоковакуумные паромасляные насосы подразделяются на насосы общего и специального назначения. Насосы общего назначения многоступенчатые (3—4 ступени) фракционирующие, имеют колпачковые маслоотражатели. На базе насосов общего назначения промышленность выпускает вакуумные агрегаты общего назначения: ВА-0,1-1; ВА-05-4; ВА-2-3; ВА-5-4; ВА-8-4 и др., которые состоят из диффузионного паромасляного насоса, конденсационной (азотной) ловушки и вакуумного затвора, смонтированных на общей раме. Сверхвысоковакуумные агрегаты ВА-05-5 и ВА-8-9М имеют предельное давление около 6,65-10^-8 Па и могут быть использованы для откачки различных Электровакуумных постов или сверхвысоковакуумных установок.

Существенное снижение обратного потока паров рабочей жидкости в (20—30 раз) достигается путем использования водоохлаждаемого «колпачкового отражателя», который устанавливается непосредственно над верхним соплом насоса и «срезает» те линии потока пара, которые направлены вверх и не замыкаются на холодные стенки корпуса насоса. Кроме того, используют различного рода уловители паров рабочей жидкости, которые в зависимости от режима работы можно отнести либо к категории отражателей, либо к категории ловушек. Существенного снижения миграции (в 2—3 раза) можно добиться, если установить в паропроводе насоса специальные брызгоуловители и, кроме того, подсушивать и перегревать пар непосредственно перед его выходом из сопла. Помимо снижения миграции, увеличение температуры первого сопла всего лишь на 10—15° С одновременно значительно повышает быстроту действия насоса (на 30—40%), улучшает предельный вакуум и увеличивает выпускное давление. На рис. 2.42 показан разрез современного сверхвысоковакуумного паромасляного насоса. Верхняя часть корпуса 1 насоса, изготовленная из нержавеющей стали, имеет бочкообразную форму, благодаря чему скорость откачки насоса примерно на 30% больше, чем у насосов с цилиндрической формой корпуса. Гребенчатая форма внутренней плиты 2 кипятильника обеспечивает интенсивный теплообмен и поддерживает постоянство температуры рабочей жидкости. Разгоночные канавки в нагреваемом днище кипятильника в сочетании со специально подобранной формой паропровода эффективно разделяют пары рабочей жидкости на фракции. При этом в верхнее сопло попадают только наиболее тяжёлые фракции с очень низким давлением пара, а легкие фракции, имеющие более высокое давление пара, направляются в нижнее сопло, а по выходе из него—в кипятильник насоса.

Внутренняя ловушка 4 не дает возможности капелькам рабочей жидкости подниматься вверх, чем обеспечивается эффективная осушка паровой струи. Точно нанесенные отверстия 5 на паропроводе позволяют получить требуемую скорость и плотность потока пара из каждого сопла. Положение охлаждаемого колпачкового отражателя 6 точно фиксировано над верхним соплом насоса благодаря тому, что отражатель жестко закреплен на водоохлаждаемой стенке насоса. Эжекторная ступень 7 обеспечивает дополнительное фракционирование масла и, кроме того, повышает противодавление срыва. Маслоотражатель 8 сводит до минимума потери рабочей жидкости даже в том случае, если насос находится не в рабочем режиме. Описанная конструкция насоса при диаметре впускного патрубка 150 мм и длине корпуса 600 мм имеет скорость откачки воздуха 2 400 л/сек. Основные характеристики паромасляных насосов приведены в таблице 2.7

Таблица 2.7

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: