Большая энциклопедия техники - Коллектив авторов

Иначе обстоит дело при откачке конденсирующихся паров, которые не могут быть сжаты до давления, превышающего давление насыщения ρнас при данной температуре, так как дальнейшее сжатие приводит не к росту давления, а к конденсации некоторого количества паров, и давление в камере насоса остается постоянным, не достигая значения ρвып. При конденсации в камере насоса выхлопной клапан открывается вследствие резкого гидравлического удара конденсата и масла о пластину клапана. Конденсат смешивается с маслом и ухудшает его свойства. Попавший в масло конденсат испаряется в камере насоса и увеличивает полное остаточное давление. Давление насыщения большинства встречаемых в практике паров при комнатной температуре лежит выше 1,33 × 103 Па, т. е. практически может быть достигнуто только в насосах с масляным уплотнением, имеющих выпускное давление, равное атмосферному; в других насосах (двухроторных, турбомолекулярных, струйных), не работающих против атмосферного давления, эти пары не конденсируются.

Наиболее часто встречается необходимость в откачке паров воды. Вода, попавшая в масло, помимо образования трудноразделимой эмульсии масло – вода, вызывает целый ряд химических взаимодействий, ведущих к ухудшению смазывания, перегреву и осмолению насоса, не говоря уже о повышении предельного остаточного давления и коррозии отдельных деталей насоса.

Эффективным способом предотвращения конденсации паров в насосе является напуск так называемого балластного газа в камеру насоса в добавление к поступившему в нее пару после отделения камеры от впускного патрубка насоса. В качестве балластного газа обычно используется атмосферный воздух, поступающий в камеру через отдельное отверстие с обратным клапаном, связанное с краном-дозатором трубкой или отверстием в корпусе. Устройство для напуска балластного газа называют газобалластным, насос с таким устройством – газобалластным насосом. Практически все насосы выпускаются сейчас с газобалластным устройством.

В камере газобалластного насоса сжимается смесь паров с балластным газом, причем количество балластного газа определяется из условия, чтобы к моменту достижения смесью давления выхлопа парциальное давление паров не достигало давления насыщения. То есть чтобы выполнялись условия ρб + (ρг + ρп) V/VСЖ больше либо равно ρвып, а ρ Vрс /VСЖ меньше либо равно ρнас, где ρб – давление сжатого балластного газа; ρг – давление газа во входном сечении насоса; ρп – давление пара во входном сечении насоса; ρнас – давление насыщенного пара при рабочей температуре насоса; ρвып – выпускное давление насоса; Vpc – объем рабочей камеры в момент «конец всасывания»; Vсж – объем рабочей камеры в момент «конец сжатия».

Условие справедливо при изотермическом процессе сжатия в насосе, что не совсем строго для реального насоса, но позволяет легко определить поток балластного газа Q'б, необходимый для предотвращения конденсации. В случае откачки только конденсируемых паров (ρрг примерно равно 0) формула упрощается: Q'б больше либо равно SнPП (Рвып/Рнас-1). Уравнение показывает, что поток балластного газа Q'6 должен быть тем больше, чем больше быстрота действия Sн насоса, давление пара Рп во входном сечении и чем меньше давление насыщенных паров (т. е. температура масла в насосе). Отметим, что если давление насыщенных паров Рнас численно равно выпускному давлению Рвып, насос не требует балластного газа для предотвращения конденсации. Например, насос со специальным маслом, работающий при температуре примерно 380 К, способен откачивать пары воды без напуска балластного газа. Допустимое давление паров воды на входе является паспортной характеристикой газобалластного насоса. Другой важной характеристикой газобалластного насоса является количество (масса) паров, которое он откачивает в единицу времени при заданном давлении паров на входе, т. е. массовая производительность М'п насоса по откачиваемому пару. Ее легко подсчитать, представив уравнение состояния для откачиваемой в единицу времени порции пара в виде РП SН = М'П/M R0T, где М – молекулярная масса пара; Sн – быстрота действия насоса, л/с; Рп– давление пара на впуске, Па; R0 – 8,3 × 103 Дж/(К × кмоль) – универсальная газовая постоянная; Т – температура пара, К. Для паров воды (М = 18) при Т = 293 К массовая производительность насоса определяется формулой, кг/ч:

М'П = 2,67 – 10-5 SНPП .

Формулы справедливы, конечно, только в том случае, если масло при откачке не загрязняется конденсатом, т. е. предельное остаточное давление насоса по откачиваемым парам ρ = 0. В противном случае, если масло загрязняется конденсатом (например, из-за недостаточной подачи балластного газа или из-за родства откачиваемых паров и масла, когда пары растворяются в масле), предельное остаточное давление насоса по откачиваемым парам ρпост не равно 0 и наблюдается уменьшение массовой производительности насоса по парам, что может быть учтено, если в формулы вместо ρп представить (ρп – ρпост). Следует иметь в виду, что газобалластные насосы весьма эффективны при откачке паров воды, но при откачке паров, растворяющихся в масле из паровой фалы (например, пары бензина, бензола), их эффективность снижается, о чем можно судить по снижению массовой производительности в сравнении с расчетным значением. Пример: определить допустимое давление паров воды для газобалластного насоса с быстротой действия 6 л/с при потоке балластного газа Q'б = 40 м3 × Па/с, выпускном давлении ρвып = 1,2 – 105 Па и температурах масла 60, 70 и 80 °С.

Находим давление насыщенных паров при указанных температурах Р60 = 2 – 104 Па, Р70 = 3,2 – 104 Па, Р80 = 4,8 – 104 Па, и по формуле находим допустимые давления паров воды Р пдоп соответственно 1,33 × 103; 2,42 × 103 и 4,45 × 103 Па. Поток балластного газа может регулироваться с помощью крана-дозатора.

В двухступенчатых насосах напуск балластного газа, как правило, производится только в выхлопную ступень, так как в первой высоковакуумной ступени сжатия или не происходит, или его недостаточно для конденсации паров. Ввиду того что балластный газ все же перетекает через механизм насоса на сторону всасывания, предельное остаточное давление одноступенчатых насосов увеличивается примерно до 102 Па. Предельное остаточное давление двухступенчатых насосов при работе с балластным газом увеличивается до 1—10 Па в зависимости от конструкции и степени износа механизма. При работе газобалластного насоса из выпускного патрубка выходит парогазовая смесь, содержащая насыщенные пары при температуре насоса 333 К и выше. По мере движения по выпускному трубопроводу, стенки которого имеют комнатную температуру, пар конденсируется на них и конденсат может стекать обратно в насос, особенно если выпускной трубопровод имеет длинные вертикальные участки. В таких случаях в трубопроводе около насоса размещают отделитель конденсата. Если пары, выделяющиеся в откачиваемом сосуде, имеют высокую температуру и могут конденсироваться на стенках впускного трубопровода, на входе насоса должен быть установлен отделитель конденсата аналогичной конструкции, так как попадание, например, капель воды приводит к образованию эмульсии в механизме насоса.

При очень высоком впускном давлении паров (свыше 4 × 103 – 5,3 × 103 Па) используются водоохлаждаемые конденсаторы. Давление паров на выходе конденсатора не превышает допустимого значения для газобалластного насоса. Во избежание конденсации паров в камере самого насоса корпус должен быть прогрет до рабочей температуры масла перед началом откачки паров. Для этого насос включают примерно за час до начала откачки и при закрытом впускном патрубке дают работать с полным напуском балластного газа.

Практические указания по эксплуатации. К каждому насосу прилагается достаточно подробная инструкция по эксплуатации, однако ввиду широкого применения насосов с масляным уплотнением полезно запомнить несколько общих правил их эксплуатации.

Небольшие насосы с быстротой действия до 3—5 л/с часто не закрепляются на фундаменте, а устанавливаются прямо на полу. При этом рекомендуется ставить насос в неглубокий металлический противень (на случай течи масла) и подкладывать под него резиновый лист для уменьшения шума. Металлическая цельнотянутая труба в качестве вакуумной коммуникации всегда предпочтительней резинового шланга, так как вследствие газовыделения резины может быть затруднено получение низких давлений. Между насосом и откачиваемым сосудом должен быть предусмотрен компенсатор вибрации, в качестве которого может быть использован кусок вакуумного резинового шланга. При использовании коротких кусков резинового шланга для соединения металлических труб следует насколько возможно сближать торцы труб.