Основные характеристики и принцип действия пароструйных диффузионных насосов

Основные характеристики и принцип действия пароструйных диффузионных насосов

2294
0

Более 70 лет в промышленном производстве широко применяются пароструйные диффузионные насосы. Преимуществом этого оборудования является высокая скорость действия в областях сверхвысокого, высокого и среднего вакуума, а также его малогабаритность вкупе с простотой в обслуживании и эксплуатации. Устройства подразделяются, по видам рабочего вещества, на парортутные и паромасляные. В российской промышленности парортутные насосы не имеют широкого распространения из-за применяемого в них токсичного пара ртути.

Струя пара истекающего из цилиндрического сопла пароструйного насоса Пароструйные насосы обеспечивают откачивающие действие, увлекая удаляемый газ с помощью струи пара. Механизмы захвата такого газа и режимы выхода пара из сопла способны изменяться. Это может зависеть как от давления газа, так и от скорости паровой струи и ее плотности. Если плотность струи и давление газа относительно высоки, то поток пара принимает турбулентный характер. В его пограничном слое будут наблюдаться завихрения (см. рис. 3–1 «а»), которые способны захватывать и уносить определенную часть газа. Кроме этого, струя, двигаясь с высокой скоростью, вызывает возникновение силы внутреннего трения, что позволяет более активно увлекать и уносить с собой прилегающие слои газа. Соблюдая данные параметры, можно достичь удаления газа из объекта с помощью обычного эжекторного сопла. В случае снижения давления газа, а также уменьшения плотности и скорости паровой струи, образование завихрений прекращается. Сама струя приобретает вид, указанный на рис. 3–1 «б». В таких условиях возможность вязкостного захвата газа существенно уменьшается, увеличивая при этом вероятность диффузии газа в паровой поток. Объем газа, вступающего во взаимодействие, напрямую зависит от плотности пара и площади соприкосновения между ними.

Рис. 3–2 детально изображает конструкцию диффузионного четырехступенчатого насоса.

Схема четырехступенчатого диффущионного насоса

Нагреватель (1) повышает температуру и создает нужное давление пара в кипятильнике (2). Пар поднимается по паропроводам (3, 4, 5) к кольцевым зазорам в соплах первой (9), второй (8) и третьей (7) ступеней диффузионной откачки, а также к цилиндрическому эжекторному соплу (6). При движении с ускорением через сопло, паром теряются основные показатели плотности и давления. В форме широкой направленной струи он попадает на внутреннюю, охлаждаемую поверхность корпуса насоса, на которой конденсируется, образует жидкостный затвор и стекает обратно, в кипятильник. Двигающиеся в направлении струи молекулы газа, с легкостью проникают в паровой поток и оседают, вместе с ним, на стенках насоса. После превращения пара в жидкость, газ из нее испаряется, попадая в пространство под струей. Находящиеся там молекулы движутся с тепловыми скоростями и не способны преодолеть барьер, создаваемый паровой струей, в обратном направлении. Благодаря плотности и скорости парового потока, вероятность того, что молекула газа пролетит через струю, не столкнувшись, при этом ни с одной молекулой пара практически равна нулю. При таком столкновении частицы газа получают импульс движения в направлении откачки и возвращаются, таким образом, в подструйное пространство или на стенки корпуса. Молекулы пара, в этом случае, меняют направление своего движения в меньшей степени, так как значительно превосходят своих газовых «коллег» по массе.

Таким образом:

  1. Струя перемещает молекулы газа в направлении выхлопного патрубка насоса, осуществляя, тем самым откачку вещества.
  2. Паровая струя выступает в качестве преграды, которая разделяет зоны с различным давлением газа, предотвращая тем самым попадание частиц из области относительно высокого давления в область более низкого.

При суммарном действии отдельных столкновений молекул, на струю пара будет оказано давление. Молекулы пара имеют ограниченный запас кинетической энергии, поэтому его струя способна выдерживать лишь строго определенную величину такого давления. Превышение допустимой величины может привести к срыву струи. Это разрушит преграду, которая разделяет области с газом разного давления, нарушив, тем самым весь процесс откачки. Для поддержания необходимого на выходе из насоса давления, в его корпусе последовательно расположены ступени откачки (сопла). Первая, самая верхняя ступень обеспечивает максимально быструю откачку вещества при наличии низкого давления срыва струи. Это достигается благодаря сравнительно невысоким значениям плотности паровой струи и большому проходному (ограниченному корпусом и соплом) сечению.

Давление срыва струи во второй ступени более высокое. Она должна обладать такой скоростью откачки, которая была бы достаточна для поддержания давления под верхней ступенью ниже, чем давление срыва струи. По этому же принципу осуществляется работа и других диффузионных ступеней откачки.

Эжекторное сопло – ступень с наибольшим давлением срыва струи. Исходя из этого, такую ступень устанавливают на выходе насоса. Ей определяется наибольшее выпускное давление устройства – давление, при котором насос еще способен производить откачку. Эжекторное сопло диффузионного насоса поддерживает давление срыва паровой струи на значении около 10 Па.

Последовательно с диффузионным устанавливается еще один насос – форвакуумный.

Он способен воспринимать поток откаченного газа, а также может обеспечивать на выходе диффузионного насоса, необходимый для его бесперебойной работы, вакуум.

Зависимость быстроты действия диффузионного насоса от впускного давления

На рис. 3–3 представлен типичный график зависимости быстроты действия насоса от впускного давления.

Диапазон рабочего впускного давления на графике разделен на три условные области:

  1. предельных остаточных давлений;
  2. постоянной быстроты действия;
  3. наибольших рабочих давлений.

Функционирование насоса в условиях наибольших рабочих давлений отличается нестабильностью. При этом пар его рабочей жидкости в большом количестве поступает в откачиваемый сосуд. Наибольшей стабильностью работа устройства отличается при его использовании в параметрах постоянной быстроты действия – основной рабочей области насоса. В диапазоне предельного остаточного давления эффективная быстрота действия насоса снижается из-за проникновения газа, сквозь паровую струю, со стороны форвакуума. Та точка, где кривая быстроты действия пересекается с осью абсцисс, и соответствует значению предельного остаточного давления.

В настоящее время, разработчиками паромасляных насосов достигнуты самые различные показатели их производительности. Быстрота действия отдельных устройств может достигать до 200 000 л/с. Она определяется, в том числе, и входным сечением насоса. При увеличении габаритов насоса повышается быстрота его действия, а область постоянной быстроты – сужается. Происходит повышение предельного остаточного и понижение наибольшего выпускного давления (см. прил. 6).

Понижение наибольшего выпускного давления может вызвать определенные неудобства, ведь современные механические насосы высокой производительности имеют, как правило, высокое остаточное давление.

Это обуславливает малую быстроту их действия в области с предельным остаточным давлением. Таким образом, возникает необходимость в установке промежуточного бустерного насоса. Он должен иметь наивысшую быстроту действия во всем диапазоне давлений диффузионного насоса, при этом его выпускное давление обязано соответствовать максимальным значениям быстроты форвакуумного насоса. Установка бустерного агрегата необходима для бесперебойной работы вакуумных установок, которые обладают быстротой действия, превышающей 10 000 л/с.

 Бустерный насос БН-2000Изображенный на рис. 3–4, бустерный насос имеет некоторые отличия от диффузионного. Они заключаются в том, что данное устройство работает с паром повышенной плотности, это достигается путем увеличения мощности нагревателя. Величина давления пара, который образуется в кипятильнике бустерного агрегата, на порядок выше аналогичного параметра диффузионного насоса. Внешне эти устройства отличаются тем, что у бустерного размер кипятильника значительно увеличен. Основные вакуумные характеристики такого насоса имеют заметные отличия, по сравнению с диффузионным. К этому приводит повышенная плотность пара и скорость истечения его струи из сопла.

Предельная быстрота действия, в данной конструкции, соответствует области впускных давлений 2 Па (10–4 — 10–2 мм рт. ст.)(рис. 3–5).

Зависимость быстроты действия бустерных насосов от впускного давления

 

Максимальные показатели выпускного давления могут составлять до нескольких сотен Па. График быстроты действия отражает наличие пологого спада в области высокого впускного давления. Остаточное давление, в этом случае, определяется обратным потоком углеводородов. Такое значение у бустерных агрегатов значительно большее, чем у диффузионных.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОТВЕТИТЬ