Дифузійні молекулярні (пароструминні) насоси

Дія пароструминного насоса грунтується на захопленні газу, що видаляється, струменем пари. Залежно від швидкості і щільності струменя і тиску газу змінюється як режим витікання струменя з сопла, так і механізм захоплення газу, що видаляється.

Пароструминні насоси, принцип дії яких заснований на дифузії молекул газу в струмінь пари робочої рідини, здатні забезпечити отримання вакууму до 10^-5 Па (10^-7 тор). Їх відрізняє висока швидкість дії в області середнього і високого вакууму, простота обслуговування і експлуатації.

Принцип роботи: Пари робочої рідини (ртуті або вакуумного масла), що підігрівається нагрівачем (рис.3.29), прямують по паропроводу в сопла, з яких з великою швидкістю проходять в простір робочої камери. Відкачуваний газ, що проходить через впускний патрубок потрапляє у струмінь за рахунок дифузії і захоплений струменем отримує складову швидкості спрямовану до низу насоса. При контакті струменя із холодною стінкою пара конденсується, масло стікає в кип'ятильник, а газ, стиснутий струменем, потрапляє у інший струмінь або викидається через випускний патрубок котрий відкачується форвакуумним насосом.

Рис. 3.29. Схема триступінчатого дифузійного насоса:

I — ежекторний ступінь; II, III — дифузійні ступені

Потім робоча рідина в кип'ятильнику знов випаровується(у першу чергу легкі фракції масла), піднімається по паропроводу, через сопло знову утворює струмінь пари і т. д., здійснюючи безперервний кругообіг.

Струмінь пари розділяє області низького вхідного тиску Р_вх і вищого вихідного тиску Р_вих, проте великого перепаду тиску струмінь витримати не може, тому вихідний патрубок одного ступеня пароструминного насоса повинен відкачуватися струменем пари іншого ступеня, а після ступені I – механічним насосом.

Механізм захоплення газу різний в насосах ежекторних (760 – 10^–1торр), бустерних (10^–1 – 10^–4 торр) і дифузійних (10^–4 – 10^–7 торр). Чим вище тиск газу на вході насоса, тим більше повинна бути щільність пари в струмені. При великих швидкостях пари захоплення газу відбувається в результаті турбулентно-в’язкісного перемішування вихорів пари з частинками газу (ежекторні насоси). З пониженням тиску і зменшенням витрати пари зростає роль в’язкісного захоплення в ламінарну струмінь (бустерні насоси). При дуже низькому тиску, коли вільний пробіг молекул газу порядку діаметру насоса, працює тільки дифузійний механізм проникнення молекул газу в струмінь пари; щільність струменя повинна бути малою, а швидкість струменя — великою для ефективної передачі імпульсу молекулам газу (дифузійні насоси). При випадковому зіткненні молекул газу із струменем молекули можуть, як відбитися, так і дифундувати в струмінь із-за різниці вхідного тиску і парціального тиску газу в струмені. Елементи струменя пари насичуються газом поступово у міру руху від сопла до стінки.

Тиск газу (Р_вих) під струменем більше тиску Р_вх над струменем, тим більше Р_вих більше тиску газу в струмені. Тому одночасно з дифузією газу зверху в струмінь відбувається шкідлива дифузія газу знизу в струмінь. Газ, що дифундував в струмінь знизу з області вищого вихідного тиску, не виноситься вгору, а захоплюється струменем вниз і при конденсації пари виділяється назад в область Р_вих. Тому важливий малий кут нахилу струменя до стінки.

Швидкість відкачки дифузійного насоса прямує до верхньої межі

, (2.7)

де А — площа струменя; v — швидкість газу; v _стр — швидкість струменя.

Ця межа тим більше, чим більше швидкість струменя пари, проте вже при v _стр = 2v швидкості відкачування досягає 89% максимуму.

Насправді швидкість відкачування насоса менше максимальної-близько 0,3–0,4. Ця величина визначається віддзеркаленням молекул газу від струменя, обмеженою пропускною спроможністю вхідного патрубка насоса, зворотною дифузією і т.д.

Основною характеристикою пароструминних насосів є залежність швидкості дії від тиску на вході в насос (рис. 2.12а). У середній області робочого тиску швидкість дії постійна і рівна S_max. При наближенні робочого тиску до граничного p_пр вона прагне до нуля із-за наявності зворотного потоку газів і пари з насоса у відкачуваний об'єкт. При збільшенні робочого тиску за верхню межу молекулярного режиму течії швидкість дії зменшується у зв'язку із зниженням швидкості дифузії молекул газу в струмінь пари і при максимальному вхідному тиску p_з прагне до нуля.

Граничний тиск насоса p_пр при низькому тиску на вихідному патрубку p_вых (рис. 2.12б) слабо залежить від зміни останнього.

Рис. 2.12. Характеристики пароструминних насосів

При збільшенні потужності N підігріву насоса за рахунок збільшення швидкості парового струменя темп дії спочатку зростає (рис. 2.12в), досягає максимального значення при N_опт, а потім зменшується із-за збільшення щільності парового струменя. Максимальний випускний тиск насоса p_в при збільшенні потужності підігріву безперервно зростає.

До робочих рідин пароструминних насосів висуваються наступні вимоги:

1) мінімальна пружність пари при кімнатній температурі і максимальна — при робочій температурі в кип'ятильнику;

2) стійкість до розкладання при нагріванні;

3) мінімальна здатність розчиняти гази;

4) хімічна стійкість по відношенню до відкачуваних газів і по відношенню до матеріалів насоса;

5) мала теплота пароутворення.

Мінімальна пружність пари при кімнатній температурі потрібна для отримання найменшого граничного тиску насоса. Максимальний тиск пари при робочій температурі кип'ятильника збільшує випускний тиск насоса і зменшує необхідну потужність підігрівача. Стійкість до розкладання робочої рідини при нагріванні впливає на тривалість служби робочої рідини і максимальний випускний тиск. Розчинність газів в робочій рідині приводить до збільшення зворотного потоку газів через сопло разом з паровим струменем. Хімічна стійкість визначає термін служби робочій рідині і накладає обмеження на вибір конструкційних матеріалів насосів. При малій теплоті паротворення потрібна менша потужність підігрівача насоса.

Як робоча рідина пароструминних насосів застосовуються ртуть, мінеральні масла, складні ефіри органічних спиртів і кислот, кремнійорганічні з'єднання. Ртуть (Р-1, Р-2) як робоча рідина пароструминних насосів має наступні переваги: не окислюється повітрям, однорідна по складу і не розкладається при робочих температурах насоса, розчиняє малу кількість газів і має високу пружність пари при робочій температурі в кип'ятильнику. Недоліки ртуті: токсичність, хімічна активність по відношенню до кольорових металів, висока пружність пари при кімнатній температурі (10^-1 Па).

Мінеральні масла для пароструминних насосів (ВМ-1, ВМ-5) отримують шляхом вакуумної дистиляції продуктів переробки нафти. Вони характеризуються низькою пружністю пари при кімнатній температурі (10^–6 Па), задовільною термостійкістю, але мають невисоку термоокислювальну стійкість і утворюють смолянисті нальоти на внутрішніх деталях насоса.

Ефіри, вживані як робоча рідина пароструминних насосів, є продуктами синтезу фталевої і себацинової кислот з вищими спиртами, а також поліфенілові з'єднання, що складаються з бензольних радикалів, сполучених в ланцюзі через атоми кисню. Поліфенілові ефіри ПФЕ володіють дуже низьким тиском пари при кімнатній температурі (10^–9 Па) і високою термоокислювальною стійкістю.

Кремнійорганічні рідини для пароструминних насосів (ВКЖ-94, ПФМС-2) — це полісилоксанові полімерні з'єднання, що складаються з функціональних груп (CH3) 2SiO. Вони володіють високою термоокислювальною стійкістю і достатньо низькою пружністю пари при кімнатних температурах (10^–5 Па).

Найчастіше використовують в насосах дешеві мінеральні масла. Кремнійорганічні рідини застосовуються в системах з частим напуском атмосферного повітря. Ефіри, вартість яких ще велика, застосовуються для систем, де потрібне отримання надвисокого вакууму. Ртуть із-за токсичності застосовується в пароструминних насосах лише для відкачування ртутних систем, наприклад ртутних випрямлячів.

Дата добавления: 2015-07-20