+7 (495) 664 22 07 baza@vacuumpro.ru

Основные характеристики пароструйных насосов

Типичный пароструйный насос состоит из вертикального, обычно цилиндрического корпуса, снабженного фланцевым впуском для подсоединения к вакуумной системе. Дно цилиндра закрыто, образуя кипятильник, снабженный нагревателем. Верхние две трети корпуса окружены охлаждающим змеевиком. Выпускной канал (или линия первичного разрежения) предусмотрен на стороне нижнего корпуса насоса для выпуска откачанных газов и паров в механический насос первичного разрежения. На рис. 1 показана схема одноступенчатого пароструйного насоса.

пароструйный насос

Рис. 1. Схема одноступенчатого пароструйного насоса. Белые кружки - молекулы струи пара; черные кружки - молекулы газа

Струеобразующая конструкция эжектора располагается внутри корпуса насоса. Она состоит из концентрического цилиндра, частично закрытого крышкой и снабженного расширяющимися соплами для образования струй, через которые пары рабочей жидкости могут выходить с высокой скоростью. Конструкция насоса не включает в себя движущихся механических деталей.

Во время эксплуатации рабочая жидкость в кипятильнике насоса нагревается посредством электрического элемента, закрепленного на нижней части корпуса, выпуская поток пара. Этот пар поднимается к эжектору и выпускается через кольцевую форсунку в направлении вниз и наружу по водоохлаждаемой стенке корпуса насоса.

Молекулы газа, поступающие на впуск насоса, вовлекаются в поток пара рабочей жидкости и приобретают импульс, направленный вниз. Поток пара обычно выпускают со сверхзвуковыми скоростями. Смесь пара и газа движется вниз в направлении форвакуумной линии. Когда составляющие масляные компоненты такой струи ударяются о водоохлаждаемую стенку корпуса насоса, они конденсируются и возвращаются в кипятильник в жидком виде. Захваченные молекулы газа продолжают свой путь в направлении выхода, где они удаляются механическим насосом первичного разрежения.

Конденсированные пары масла возвращаются в кипятильник. Масло нагревается снова, происходит его повторное испарение для поддержания потока пара в эжекторе и непрерывности механизма откачки. Вид в разрезе типичного многоступенчатого пароструйного насоса показан на рис. 2.

многоступенчатый пароструйный насос

Рис. 2. Многоступенчатый пароструйный насос

Откачивающее действие в пароструйном насосе возникает в результате столкновений между молекулами пара и газа. Молекулам газа труднее пересекать поток пара в направлении против потока. Таким образом, в сечении струи пара создается перепад давлений (или молекулярной плотности). Отношение давлений, создаваемых потоком пара, может быть приблизительно выражено следующим образом:

$$p_{2}/p_{1}= exp( \rho VL/D), $$

где р - плотность пара; К- скорость струи пара; L - ширина струи пара; D - постоянная, зависящая от коэффициента диффузии и молекулярной массы (М) и диаметров молекул (о) пара и газа [1]:

$$D= \frac{3}{8(2 \pi)^{1/2}} (RT \frac{M_{1} + M_{2}}{M_{1}M_{2}})^{0.5} \cdot ( \frac{ \sigma_{1} + \sigma_{2}}{2})^{-2}, $$

где нижний индекс 1 относится к откачиваемому газу, а 2 - к рабочей жидкости насоса, R - газовая постоянная; T - температура.
Отсюда можно видеть, что отношение давлений гораздо ниже для более легких газов.

Взаимодействие пара и откачиваемого газа можно проиллюстрировать экспериментально путем нахождения распределения плотности обоих газов в области откачки. Распределение плотности газа, измеренной ионизационным вакуумметром, показано на рис. 3, а распределение пара, поступающего на стенку насоса, - на рис. 4. На рис. 3 видно проникновение откачиваемого воздуха в струю пара, его относительное отсутствие в центре струи рядом с выходом из форсунки и постепенное сжатие. Процесс на второй ступени происходит таким же образом.

распределение плотности газа

Рис. 3. Распределение плотности газа на основании измерений ионизационным вакуумметром

распределение плотности пара

Рис. 4. Распределение плотности пара, поступающего на стенку насоса

Число ступеней

Число насосных ступеней или паровых сопел зависит от конкретных технических условий. Одноступенчатый насос должен удовлетворять противоречивым требованиям: с одной стороны, необходима высокая быстрота действия, а с другой стороны, - высокая степень сжатия. Обычно первая ступень на впуске характеризуется высокой быстротой действия и низкой степенью сжатия, а последняя ступень - наоборот. Небольшие насосы часто имеют три ступени, а большие - пять или даже шесть. Первоначальные ступени имеют кольцевые сопла; ступень выпуска иногда имеет круглое сопло и называется эжектором. Принципиальных отличий подобные варианты насосов не имеют, хотя выбор того или другого варианта позволяет получить некоторые преимущества. Иногда для удовлетворения определенных эксплуатационных требований могут использоваться два пароструйных насоса, соединенных последовательно. Следствием этого является увеличение количества ступеней сжатия, что позволяет использовать различные рабочие жидкости.

Взаимодействие пара и газа

Как указывалось выше, откачивающее действие пароструйных вакуумных насосов основано на работе масляных или паровых эжекторов. Потенциальная энергия повышенного давления внутри струйного узла (давление в кипятильнике) преобразуется в кинетическую энергию потока или струи пара высокой скорости, после того как поток или струя пройдут через сопло.

Газ откачивается струей посредством передачи импульса в направлении откачки. Поскольку рабочие жидкости, используемые в пароструйных насосах, легко конденсируются при комнатной температуре, в компактном пространстве можно установить многоступенчатую систему, состоящую из сопел и конденсаторов.

Диапазон рабочих давлений

Диапазон давлений пароструйных насосов находится в пределах от КН° до КН Торр. При предельном высоком давлении установившееся дав- Рис. 4. Распределение плотности пара, поступление (на выпуске насоса) обычно не должно превышать приблизительно 10-3 Торр. Без криогенной откачки и термической обработки самое низкое остаточное давление на впуске составляет приблизительно I0-8 Торр. С помощью криоустройств, например ловушек, охлаждаемых жидким азотом, можно получить значения впускного давления ниже 10-10 Торр. Как правило, требуется термическая обработка и последующее охлаждение откачиваемых камер и впускных каналов для расширения диапазона давлений, поскольку эти процессы могут сократить газо- выделение и способствовать сорбционной откачке.

Основные технические характеристики

Техническая характеристика пароструйного насоса обычно изображается в виде кривой зависимости быстроты действия от впускного давления, как показано на рис. 5. Кривая состоит из четырех характерных участков. Слева можно наблюдать уменьшение быстроты действия по мере приближения к предельному остаточному давлению. Участок постоянной быстроты действия соответствует постоянной скорости газа в условиях молекулярного потока и постоянной диффузии газа в струе пара. Участок перегрузки показывает, что при постоянной производительности насоса достигнут максимальный массовый поток газа. На последнем участке справа видно, что на рабочие характеристики пароструйного насоса оказывает влияние размер форвакуумного насоса. Для режима работы в стабильном состоянии насос не должен эксплуатироваться в области перегрузки.

характеристика пароструйного насоа

Рис. 5. Рабочая характеристика пароструйного насоса в виде кривой зависимости быстроты действия от давления на впуске

Рабочая характеристика пароструйного насоса в принципе аналогична любому другому насосу, компрессору, воздуходувке, эжектору и подобным устройствам. Существенные элементы взаимной зависимости потока и давления являются аналогичными.

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.