Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Основным достоинством адсорбционных насосов является полное отсутствие органических загрязнений откачиваемого сосуда.

Недостатки насосов – необходимость использования жидкого азота, периодическая регенерация и довольно значительное время охлаждения насоса.

Бустерный насос

Бустерный насос – это разновидность вакуумного насоса. Представляет собой пароструйный насос, который служит для того, чтобы создавать средний вакуум внутри вакуумной системы. Сам бустер (от английского слова booster) является вспомогательным устройством, которое применяется с целью увеличения значений силы и скорости в действии основных механизмов и машин: это может быть первая ступень в многоступенчатой ракете, гидравлические, электрические или же пневматические устройства в цепи управления в рулях самолета.

Вакуумный насос

Вакуумный насос – разновидность насосов, которая применяется с целью удаления (т. е. откачивания) газа или пара из какого-то замкнутого объема или замкнутой системы – для создания в ней безвоздушного пространства, т. е. вакуума. Существует несколько типов вакуумных насосов, основными из которых являются механический, струйный, сорбционный и криогенный вакуумный насос. Рассмотрим более подробно виды вакуумных насосов.

1. Водокольцевые насосы – относятся к насосам объемного действия. При быстром вращении ротора, имеющего радиальные лопатки, вода отбрасывается к периферии корпуса и создает водяное кольцо приблизительно постоянной толщины, благодаря которому полости, образуемые лопатками ротора, герметично отделяются друг от друга. Так как ось вращения ротора смещена относительно оси цилиндрической расточки корпуса, то при вращении ротора объемы, отсекаемые лопатками, меняются, и, таким образом, создается разреженное пространство, обеспечивающее всасывание откачиваемого газа через впускное отверстие и сжатие газа перед выбросом его в атмосферу через выпускное отверстие.

Через выпускное отверстие удаляется также излишек воды, благодаря чему толщина водяного кольца остается постоянной во время работы насоса, несмотря на подвод холодной воды из сети, что необходимо для отвода тепла и для компенсации потерь воды в виде паров и брызг, выбрасываемых с откачиваемым газом. Предельное остаточное давление насоса определяется давлением паров воды и составляет примерно 2 × 103 Па при 293 К. Водокольцевые насосы применяют для откачки черновых трубопроводов централизованных форвакуумных систем, в сушильных установках, а также в качестве безмасляных насосов для форвакуумной откачки.

  2. Механические вакуумные насосы с масляным уплотнением. Механические вакуумные насосы с масляным уплотнением относятся к насосам объемного действия и работают за счет периодического изменения объема рабочей камеры.

Механические насосы могут быть пластинчато-роторными, пластинчатостаторными и плунжерными (или золотниковыми). В цилиндрической расточке камеры насоса вращается эксцентрично расположенный ротор, в прорези которого свободно вставлены пластины с пружиной. При вращении ротора пластины скользят по внутренней поверхности цилиндра, и в камере насоса образуются две полости переменного объема, одна из которых – полость всасывания, другая – полость сжатия. Полость всасывания при вращении ротора увеличивает свой объем, и в нее поступает газ из впускного патрубка, связанного с откачиваемым сосудом. Объем полости сжатия, расположенный на выпускной стороне, уменьшается при вращении ротора, и в ней происходит сжатие газа. Эта полость соединена с клапаном. Когда давление газа в полости станет достаточным для открытия клапана, произойдет выхлоп. В процессе работы зазоры в роторном механизме уплотняются рабочей жидкостью насоса – маслом, благодаря чему обратное перетекание газа с выхода на вход становится достаточно малым. Масло заполняет и так называемые вредные пространства, из которых газ вытесняется при работе роторного механизма (например, объем под клапаном) и исключает их влияние, ведущее к повышению предельного остаточного давления. Одновременно масло обеспечивает смазку и частичное охлаждение механизма насоса. Масло поступает в камеру насоса через зазоры и сверления в корпусе из маслорезервуара, где оно находится под атмосферным давлением, а через выхлопной клапан вновь возвращается в маслорезервуар. Такую же роль масло выполняет и в других типах насосов с масляным уплотнением, принципы работы которых рассмотрены ниже. В пластинчато-статорном насосе пластина, разделяющая полости всасывания и сжатия, свободно скользит в прорези статора, прижимаясь к ротору под действием пружины (через рычаг). В плунжерном (золотниковом) насосе в цилиндрической камере корпуса насоса вращается эксцентрик с надетым на него плунжером. Газ из откачиваемого сосуда поступает в полость всасывания через окно в прямоугольной части плунжера, который скользит в направляющей, свободно поворачивающейся в гнезде корпуса. При повороте эксцентрика на некоторый угол от верхнего положения окно в прямоугольной части плунжера выходит из направляющей вниз, полость всасывания соединяется с впускным патрубком насоса и газ поступает в полость всасывания, непрерывно увеличивающую свой объем, пока окно не будет снова перекрыто. Одновременно в полости сжатия происходят сжатие и выталкивание газа через выхлопной клапан. Процесс напуска газа через окно напоминает работу золотникового распределительного устройства, поэтому насосы такого типа получили название золотниковые.

Параметры и характеристики: предельное остаточное давление и некоторые другие параметры механических насосов с масляным уплотнением в значительной степени зависят от свойств рабочей жидкости (масла), залитой в насос. Как газы, так и конденсирующиеся пары, создающие обратный поток, попадают на вход насоса из циркулирующего в нем масла. Перед поступлением в камеру насоса масло некоторое время находится в маслорезервуаре, где подвергается воздействию атмосферного воздуха и поглощает газы. При поступлении масла в рабочую камеру поглощенные ранее газы выделяются из пленки масла и поступают на вход насоса.

У одноступенчатых насосов с масляным уплотнением давление остаточных газов составляет обычно 2,7—6,6 Па, а полное остаточное давление 2—6,6 Па. Пары на входе насоса являются не парами масла, а в основном продуктами его разложения (крекинга). В то время как давление насыщенных паров при комнатной температуре для масел, используемых в насосах с масляным уплотнением, меньше 102—103 Па, легколетучие продукты крекинга масла имеют гораздо более высокие давления насыщения, что и определяет показание манометрического преобразователя. Крекинг масла в насосах происходит из-за возникновения высоких местных температур в области контактов трущихся поверхностей, которые не полностью разделены слоем масла. Обратный поток продуктов крекинга масла и других углеводородов составляет (на единицу площади сечения впускного патрубка) 0,1—0,3 мг/ч × см2. Наличие обратного потока продуктов крекинга масла приводит к загрязнению откачиваемых сосудов.

Для уменьшения обратного потока, поступающего из насоса в откачиваемый сосуд, во впускном патрубке насоса устанавливают ловушки. Кроме продуктов крекинга, на входе насоса обычно имеются пары загрязняющих масло легколетучих веществ (воды, растворителей). Для получения давлений остаточных газов ниже 10-1 Па используют двухступенчатые насосы с масляным уплотнением. Ближайшая к откачиваемому сосуду высоковакуумная ступень должна создавать небольшой перепад давлений (не более 0,1 Па) и поэтому не нуждается в масляном уплотнении, так как при низком давлении узкие зазоры обладают большим сопротивлением потоку газа.

Ступень 1 в процессе работы обычно не сообщается с масляным резервуаром ступени 2, и в нее не заносится воздух, растворенный в масле, благодаря чему и возможно достижение низких давлений. Небольшое количество масла, имеющееся в некоторых конструкциях насосов в отдельном маслорезервуаре ступени 1 для смазки механизма, находится под непрерывной откачкой ступенью 2, так что легкие фракции масла, имеющиеся в ступени 1, непрерывно откачиваются. Поэтому на входе двухступенчатого насоса количество паров легких фракций масла, определяющих полное остаточное давление, значительно меньше, чем у одноступенчатого. Давление остаточных газов у лучших образцов двухступенчатых насосов составляет 10-3 Па, полное остаточное давление 6,5—10-1 Па.

У насосов с масляным уплотнением давление остаточных газов в основном определяется качеством изготовления. Как уже отмечалось, полное остаточное давление насоса зависит от состава (наличия летучих фракций) и состояния (в первую очередь – от температуры) рабочей жидкости. При повышении температуры масла наблюдается повышение как полного остаточного давления насоса, так и давления остаточных газов. После запуска холодного насоса установившаяся температура масла (50—70 °С) достигается через 2—3 ч в зависимости от размеров насоса. Быстрота действия ASн-насосов с масляным уплотнением определяется их конструкцией. Быстрота действия насосов объемного действия практически не зависит от рода откачиваемого газа, так как разница в проводимости входных коммуникаций по разным газам очень мало сказывается на быстроте действия насоса. Быстрота действия одно– и двухступенчатых насосов зависит от впускного давления. Мощность, потребляемая насосами с масляным уплотнением, затрачивается на преодоление трения в механизме насоса (мощность трения или мощность потерь) и на процесс перемещения и сжатия газа (индикаторная мощность). В области низких давлений (ниже 103 Па) потребляемая насосом мощность практически остается постоянной и не зависит от давления на впуске. Эта постоянная мощность в области низких давлений и является мощностью потерь. Наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление у механических насосов с масляным уплотнением равно атмосферному. Однако заводы-изготовители не рекомендуют длительную работу при давлении выше 2—4 Па, что связано с нежелательным уменьшением количества масла, поступающего в единицу времени в рабочую камеру насоса при повышенных давлениях, а также с выбросами и уносом масла в виде брызг и масляного тумана вместе с потоком откачиваемого газа. В качестве рабочей жидкости насосов с масляным уплотнением, как правило, используются продукты, получаемые из промышленных минеральных масел. Кроме обычных требований (низкая кислотность, необходимая вязкость, хорошие смазывающие свойства и т. п.), к маслам для вакуумных насосов предъявляются дополнительные: высокая термическая стойкость и низкое давление паров в интервале рабочих температур насоса, так как в противном случае невозможно получение низких предельных остаточных давлений.