КПД откачки двухроторных вакуумных насосов

Двухроторный вакуумный насос не имеет клапанов и зависит от малых зазоров, благодаря которым минимизируется обратный поток газа от выпуска к впуску. Количество газа, протекающее обратно через зазоры, уменьшает быстроту действия. Коэффициент полезного действия (КПД) насоса измеряется отношением фактического объема откачанного газа к общему объему вытесненного газа или теоретической максимальной быстроте действия:

$$E=\frac{S_{E}}{S_{p}}, (1)$$

$$E=1-\frac{p_{2}S_{FB}}{p_{1}S_{D}}, (2)$$

где Е - КПД двухроторного насоса; S_D - быстрота действия насоса, м³/ч; S_FB - общий обратный поток газа, м³/ч; S_E - быстрота откачки системы, м³/ч; p₂;- межступенчатое давление, Торр; p₁ - давления на впуске двухроторного насоса, Торр.

Общий обратный поток газа, S_FB, (м³/час) состоит из потока, проходящего по зазорам, обратного натекания газа с поверхностей роторов и повторного расширения незначительных объемов, захваченных между роторами. На КПД двухроторного насоса оказывают влияние следующие факторы: уровень давления, степень сжатия, вид откачиваемого газа, частота вращения роторов и обратное натекание газа с поверхностей роторов.

Уровень давления и степень сжатия

Размеры зазоров роторов зависят от размера насоса и, как правило, составляют около 0,25 м. При высоких значениях давления при степени сжатия 2 (или выше) обратный поток имеет скорость звука и является турбулентным, а также зависит от давления на впуске. Когда давление на впуске уменьшается, поток может стать вязкостным, и обратный поток будет равен произведению разности давлений на поток газа через зазор. При дальнейшем уменьшении давления поток становится молекулярно-вязкостным и, наконец, молекулярным. Сопротивление потоку увеличивается, проводимость обратного потока становится почти постоянной, и степень сжатия увеличивается. Результаты этого явления можно наблюдать на рис. 4, где при значениях давления ниже 0,01 Торр быстрота действия двухроторного насоса остается постоянной, несмотря на различие в системе форвакуумных насосов.

Рис. 4. Эксплуатационные характеристики вакуумной установки, состоящей из двухроторного и форвакуумных насосов с различной быстротой действия.

Вид газа

Проводимость зазоров колеблется в зависимости не только от режима давления, но и от типа откачиваемого газа. В режимах турбулентного и вязкостного течения поток обратно пропорционален коэффициенту вязкости газа. В качестве примера коэффициент вязкости воздуха равен 180, а водорода - 87 микропуазов, проводимость и обратный поток водорода в два раза больше, чем у воздуха. В пределах молекулярного потока проводимость пропорциональна квадратному корню соотношения молекулярных масс, при этом проводимость обратного потока водорода будет в 3,79 раза больше, чем у воздуха. Влияние увеличения обратного потока (и степени сжатия) на КПД откачки при откачивании воздуха и водорода при двух разных степенях сжатия показано на примере вакуумной системы из нескольких насосов на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость КПД откачки двухроторного насоса от впускного давления при различных отношениях ступеней системы (Л) и видах откачиваемого газа (воздух и водород).

Частота вращения

Теоретическая быстрота действия увеличивается в зависимости от частоты оборотов в минуту, но зазоры и проводимость обратного потока остаются постоянными для данной степени сжатия. По мере увеличения частоты вращения КПД насоса увеличивается, потому что обратный поток остается меньше вытесненного.

Обратный поток газа

Газы, адсорбированные на поверхностях роторов и захваченные в незначительных мертвых объемах, переносятся из межступенчатого пространства высокого давления и выпускаются при низком впускном давлении. Влияние обратного потока газа при давлении выше 0,1 Торр является минимальным. Полировка поверхностей крыльчаток может значительно сократить обратный поток.