Вакуумные насосы.
Принцип работы и конструкции вакуумных насосов и вакуумметрических датчиков.
Выполнил: Кусков Я.А.
Гр.5011
Вакуумный насос — устройство, служащее для удаления (откачки) газов или паров до определённого уровня давления (технического вакуума).
Принципы работы
Объёмные насосы осуществляют откачку за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры. В основном они используются для получения предварительного разрежения. К ним относятся поршневые, жидкостно-кольцевые, ротационные (вращательные). Наибольшее распространение в вакуумной технике получили вращательные насосы.
Схема ротационного насоса: 1, 3 - лопасти, 2 - кожух.
К высоковакуумным механическим насосам относятся: пароструйные насосы (парортутные и паромасляные), турбомолекулярные насосы. Молекулярные насосы осуществляют откачку за счёт передачи молекулам газа количества движения от твёрдой, жидкой или парообразной быстродвижущейся поверхности. К ним относятся водоструйные, эжекторные, диффузионные молекулярные насосы с одинаковым направлением движения откачивающей поверхности и молекул газа и турбомолекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движением твёрдых поверхностей и откачиваемого газа.
Классификация
Вакуумные насосы классифицируют как по типу вакуума, так и по устройству. Область давлений, с которой имеет дело вакуумная техника, охватывает диапазон от 105 до 10−12 Па. Степень вакуума характеризуется коэффициентом Кнудсена , величина которого определяется отношением средней длины свободного пробега молекул газа к линейному эффективному размеру вакуумного элемента Lэф. Эффективными размерами могут быть расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами прибора.
Вакуумные насосы по назначению подразделяются на сверхвысоковакуумные, высоковакуумные, средневакуумные и низковакуумные, а в зависимости от принципа действия — на механические и физико-химические. Условно весь диапазон давлений для реальных размеров вакуумных приборов может быть разделён на поддиапазоны следующим образом:
Низкий вакуум
Давление 105…102 Па (103…100 мм рт.ст.)
Средний вакуум
λ ≥ Lэф
5·10−3 < Kn < 1.5
Давление 102…10−1 Па (100…10−3 мм рт.ст.)
Высокий вакуум
Давление 10−1…10−5 Па (10−3…10−7 мм рт.ст.)
Сверхвысокий вакуум
Давление 10−5 Па и ниже (10−7…10−11 мм рт.ст.)
Классификация насосов по конструктивному признаку
Механические
Поршневые (в том числе ртутно-поршневые)
Диафрагменные
Пластинчато-роторные (в том числе водокольцевые)
Винтовые
Рутса
Золотниковые
Спиральные
Магниторазрядные
Струйные
Паромасленные диффузионные
Паромасленные бустерные
Сорбционные
Криогенные
Вакуумные насосы также делят по физическим принципам их работы на газопереносные насосы и газосвязывающие насосы. Газопереносные насосы транспортируют частицы либо через некий рабочий объем (Поршневые насосы), либо путем передачи механического импульса частице (за счет столкновения). Некоторые насосы нуждаются в молекулярном течении переносимого вещества, другие — в ламинарном. Механические насосы подразделяются на объёмные и молекулярные.
Поршневой насос (плунжерный насос) — один из видов объёмных гидромашин, в котором вытеснителями являются один или несколько поршней (плунжеров), совершающих возвратно-поступательное движение.
Рис. 1. Конструктивная схема простейшего поршневого насоса одностороннего действия
Рис. 2. Дифференциальная схема включения поршневого насоса. Во время движения поршня влево часть жидкости отводится в штоковую полость, объём которой меньше объёма вытесняемой жидкости за счёт того, что часть объёма штоковой полости занимает шток
В отличие от многих других объёмных насосов, поршневые насосы не являются обратимыми, то есть, они не могут работать в качестве гидродвигателей из-за наличия клапанной системы распределения.
Поршневые насосы не следует путать с роторно-поршневыми, к которым относятся, например, аксиально-поршневые и радиально-поршневые насосы.
Принцип работы
Принцип работы поршневого насоса (рис. 1) заключается в следующем. При движении поршня вправо в рабочей камере насоса создаётся разрежение, нижний клапан открыт, а верхний клапан закрыт, — происходит всасывание жидкости. При движении в обратном направлении в рабочей камере создаётся избыточное давление, и уже открыт верхний клапан, а нижний закрыт, — происходит нагнетание жидкости.
Мембранный насос, диафрагменный насос, диафрагмовый насос — объёмный насос, рабочий орган которого — гибкая пластина (диафрагма, мембрана), закреплённая по краям; пластина изгибается под действием рычажного механизма (механический привод) или в результате изменения давления воздуха (пневматический привод) или жидкости (гидравлический привод), выполняя функцию, эквивалентную функции поршня в поршневом насосе.
Принцип работы
Сжатый воздух, проникающий за одну из мембран, заставляет её сжиматься и продвигать жидкость в отверстие выхода. В это время вторая мембрана напротив создаёт вакуум, всасывая жидкость.
После прохождения импульса пневматический коаксиальный обменник меняет направление сжатого воздуха за вторую мембрану и процесс повторяется с другой стороны.
Винтовой или шнековый насос — насос, в котором создание напора нагнетаемой жидкости осуществляется за счёт вытеснения жидкости одним или несколькими винтовыми металлическими роторами, вращающимся внутри статора соответствующей формы.
Винтовые насосы являются разновидностью роторно-зубчатых насосов и легко получаются из шестерённых путём уменьшения числа зубьев шестерён и увеличения угла наклона зубьев
Принцип работы
Перекачивание жидкости происходит за счёт перемещения её вдоль оси винта в камере, образованной винтовыми канавками и поверхностью корпуса. Винты, входя винтовыми выступами в канавки смежного винта, создают замкнутое пространство, не позволяя жидкости перемещаться назад.
Область применения
Предназначен для перекачивания жидкостей различной степени вязкости, газа или пара, в том числе и их смесей.
Эти насосы могут работать при давлениях до 30 МПа[2].
Конструктивные особенности
Для улучшения качества уплотнений и снижения утечек иногда применяется цилиндрический или конический эластичный корпус. В последнем случае конический винт прижимается пружиной, а иногда ещё и давлением перекачиваемой жидкости. Однако насосы с эластичным корпусом способны выдерживать меньшие давления чем насосы с металлическим корпусом. В насосах с коническими винтами можно обойтись жёстким корпусом.
Преимущества
равномерная подача жидкости, в отличие от насосов поршневых и плунжерных;
способность перекачивать смеси из жидкой и твёрдой фаз без повреждения твёрдых включений в жидкости;
как и другие объёмные насосы, винтовые обладают способностью к самовсасыванию жидкости;
возможность получить высокое давление на выходе без множества каскадов нагнетания;
хорошая сбалансированность механизма и, как следствие, - низкий уровень шума при работе.
Недостатки
сложность и высокая стоимость изготовления насоса;
нерегулируемость рабочего объёма;
так же, как и другие виды объёмных насосов, винтовые нельзя пускать вхолостую без перекачиваемой жидкости, так как в этом случае повышается коэффициент трения деталей насоса и ухудшаются условия охлаждения; в результате насос может перегреться и выйти из строя.
Вакуумные золотниковые насосы предназначены для создания среднего и глубокого вакуума путем откачки воздуха, неагрессивных газов и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги и механических загрязнений, при температуре окружающей среды от 10° С до 35° С., а также для создания предварительного разряжения (100-200 мбар) в высоковакуумных установках.
Агрегаты АВПл предназначены для откачки воздуха, неагрессивных газов, паров и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги, механических загрязнений из герметичных вакуумных систем в стационарных установках, находящихся в производственных пожаровзрывобезопасных помещениях при температуре откачиваемой и окружающей среды от 10° С до 35° С.
Безмасляные спиральные вакуумные насосы от разработчика, производителя и лидера мирового рынка — японской компании Anest Iwata предоставляют наилучшее качество по лучшим ценам. С 1927 года компания производит воздушные компрессоры высочайшего класса, а в 1990х годах, перенесла накопленный потенциал в разработку и производство ротационного оборудования, начав выпуск первых в мире безмасляных (сухих) спиральных вакуумных насосов.
Спиральные насосы Anest Iwata суммарно набирают уже почти 1 000 000 часов эксплуатации в различных приложениях. Это больше, чем спиральные насосы любых двух других производителей вместе взятых. Вакуумные насосы Anest Iwata используются сегодня для решения самых разных задач, включая системы напыления, системы для нанесения оптических покрытий, гелиевые течеискатели, ионную обработку, электронно-лучевые процессы, вакуумные печи, лабораторные исследования.
Ряд известных в мире поставщиков вакуумного оборудования продают насосы Anest Iwata под своими торговыми марками и брендами — со своей наценкой. Стоит ли переплачивать перепродавцам?
Уплотнения валов современных сухих вакуумных насосов не позволяют никаким загрязнениям попадать извне в линию форвакуумной откачки. В этой ситуации важнейшим параметром безмасляных вакуумных насосов становится снижение появления частиц износа деталей внутри самого насоса, т. к. эти частицы могут проникать в вакуумную камеру.
Многие потребители вакуумного оборудования, ранее работавшие с насосами Varian Triscroll и PTS, Edwards XDS, теперь перешли к использованию насосов Anest Iwata. Это связано с быстрым износом уплотнений концевиков в насосах Varian и Edwards, в ходе которого вырабатывается пыль, попадающая в рабочую камеру. Возникает необходимость регулярной очистки системы, которая, тем не менее, все равно не избавляет от загрязнений в рабочем процессе, и помех в работе вакуумных датчиков, масс-спектрометров и т. д.
Один из заказчиков, перешедших после проблем с другими насосами на насосы Anest Iwata ISP-250B, в течение 9 месяцев не смог обнаружить ни одной частицы, попавшей в объем из насоса.
Среди преимуществ спиральных насосов Anest Iwata можно отметить:
Полное отсутствие попадания масла в вакуумную систему;
Отсутствие генерации частиц износа;
Низкий уровень пульсаций и шума, практически отсутствует вибрация;
Хорошо сбалансированный рабочий механизм, требующий минимального пускового момента и выделяющий минимум тепла в процессе работы;
Малый вес, компактность и воздушное охлаждение позволяют использовать эти насосы в разнообразных приложениях, включая нереализуемые с применением традиционно используемых насосов;
Высокая надежность, достигнутая за счет внедрения новых инженерных решений (из новинок можно назвать Air Flush — систему удаления влаги и частиц из внутренней полости насоса, значительно увеличивающую ресурс подшипников, и технологии уплотнений вала и подшипников);
Стабильность производительности в широком диапазоне рабочих давлений.
Вакуумные пластинчато-роторные насосы в компрессорной технике используются сравнительно редко, зато в вакуумной технике применяются очень широко.
По разным оценкам до 90% всего рынка форвакуумных насосов составляют именно вакуумные пластинчато-роторные насосы. Вакуумные пластинчато-роторные насосы предназначены для откачки из герметичных объемов воздуха, пожаро-взрывобезопасных нетоксичных газов, паров и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги и механических загрязнений и неагрессивных к материалам конструкции насоса и рабочей жидкости.
Вакуумные пластинчато-роторные насосы подразделяются на:
пластинчато-роторные насосы с масляным уплотнением;
пластинчато-роторные безмасляные (сухие) насосы.
Для получения остаточного давления порядка 10- 3 мм.рт.ст. применяются двухступенчатые вакуумные насосы НВР. Все зазоры и вредные объёмы заполнены и уплотнены вакуумным маслом. Принцип работы пластинчато-роторных вакуумных безмасляных (сухих) насосов НВР 2НВР такой же, как и у пластинчато-роторных маслоуплотняемых насосов НВР, за исключением того, что они работают без применения смазок. Чаще всего насосы НВР данного типа используют там, где достаточно неглубокого вакуума (100-200 мбар). К основным их достоинcтвам можно отнести экологичность применения. Вакуумные пластинчато-роторные насосы Trivac популярны во всём мире благодаря высочайшему качеству сборки, надёжности, долговечности работы и простоте обслуживания. По скоростным характеристикам гармонично заполняют пробелы в модельном ряду отечественных пластинчато-роторных насосов.
Отличительные черты:
удобство подключения к магистрали;
эргономичный внешний вид;
надёжность в работе;
уменьшенные шумовые характеристики.
Вакуумные пластинчато-роторные насосы. Область применения.
Вакуумные пластинчато-роторные насосы широко применяются в электронной, радиотехнической, хиимической и др. отраслях промышленнности для получения низкого и среднего вакуума как самостоятельно, так и в качестве насосов предварительного разряжения при работе с высоковакуумными насосами.
Применение вакуумных насосов имеет следующие ограничения:
вакуумные пластинчато-роторные насосы непригодны для откачки агрессивных сред, вступающих в реакцию со смазочными маслами и черными металлами;
вакуумные пластинчато-роторные насосы непригодны для перекачки сред из одной емкости в другую;
предельно допустимая концентрация паров углеводородов, масляного тумана в воздухе должна соответствовать требованиям безопасности ОСТ 38.01402-86;
не допускаются: работа насоса без охлаждения; перегрев насоса; выброс откачиваемых газов в помещение, где установлены агрегаты; превышение выходного давления по отношению к атмосферному более чем на 9,3 кПа (70 мм.рт.ст)
Пример условного обозначения:
Насос вакуумный АВПР-16Д
АВПР - агрегат вакуумный пластинчато-роторный
16 - производительность в м3/ч Индекс <Д> означает, что насос двухступенчатый.
Магниторазрядный насос
Широкое распространение магниторазрядных насосов объясняется их высокими техническими характеристиками, простотой эксплуатации и обслуживания, высокой надежностью и большим ресурсом работы. Основная откачка активных газов магниторазрядными насосами осуществляется в результате хемосорбции газов постоянно возобновляемой пленкой титана. Непременным условием эффективной и устойчивой работы магниторазрядных насосов, является соответствие количества распыляемого титана количеству поступающего газа.
Магниторазрядные насосы имеют следующие преимущества:
Не загрязняют детали масс-анализатора парами масел;
Возможна работа без применения форвакуумного насоса;
Отсутствуют механические вращающиеся узлы (не боится прорыва воздуха);
Нет необходимости в закупке ненадежной вакуумной арматуры и в использовании высоковакуумных датчиков давления;
В рабочем режиме насос не выделяет тепло, что позволяет помещать его в герметичную газоаналитическую стойку вместе электронными блоками
Основные технические характеристики используемого магниторазрядного насоса
Теоретические основы
Принцип работы магнито-разрядного насоса:
Рассмотрим принцип работы диодного магнито-разрядного насоса, схема которого приведена на рисунке. Здесь 1 — два элемента катода из титана; 2 — цилиндрический анод; В — индукция магнитного поля.
При приложении разности потенциалов между электродами разрядного блока, находящегося в вакууме, в ячейках насоса возникает электрический разряд. Для возникновения разряда достаточно случайного присутствия в разрядном промежутке нескольких электронов. Под действием сильного магнитного и электрического полей электроны движутся по спирали вокруг оси разрядной ячейки. На своем пути электроны производят ионизацию газа. Образующиеся положительные ионы, бомбардируя катод, распыляют титан из катодных пластин.
Поскольку основная часть распыляемых частиц титана представляет собой электрически нейтральные атомы и молекулы, они осаждаются на все поверхности электродов, но в основном на анод. Активные газы, попадая на непрерывно возобновляемую пленку титана, хемосорбируются ею. Катоды также поглощают газы, но из-за постоянного распыления большей части их поверхности вклад катодов в процесс откачки активных газов незначителен.
Количество распыляемого металла приблизительно пропорционально току (и, следовательно, давлению газа); это означает, что распыление металла саморегулируется в зависимости от состояния вакуума. Величина разрядного тока является в некоторой степени мерой давления в откачиваемой системе.
Для получения большей скорости откачки соединяют параллельно большое число откачивающих элементов. Обычно анод имеет ячеистую конструкцию (наподобие восковых сот), а катод состоит из двух титановых пластинок, расположенных по обе стороны анода.
Внедрение ионов инертных газов в материал катода сопровождается замуровыванием ионов распыляемым титаном. Такой механизм, хотя и не создает большой быстроты действия, является основным при откачке инертных газов магнито-разрядным насосом. Поскольку химическая активность различных газов и эффективность распыления титана их ионами различны, быстрота действия магниторазрядных насосов существенно зависит от рода откачиваемого газа.
Магниты в насосе располагаются таким образом, что силовые магнитные линии замыкаются, проходя через все магниты и магнитопроводы.
Длительность старта магниторазрядных насосов зависит от степени чистоты внутренних поверхностей откачиваемого сосуда и насоса, а также от степени предварительного разряжения. Допускается запуск магнито-разрядного насоса с давлений более 10 Па (0,1 торр), но в таком случае длительность старта может превышать 3 часа. Если нет возможности создать лучшее предварительное разрежение, запуск насоса производят, не прекращая предварительной откачки. Средства предварительной откачки разобщают с откачиваемым сосудом и насосом после того, как стабильно начнет понижаться давление.
Достигаемое с помощью магниторазрядных насосов предельное остаточное давление зависит от предыстории насоса, суммарной наработки, режимов работы и рода откачиваемого газа. На предельное остаточное давление, так же, как и на длительность старта, сильное влияние оказывает загрязнение насоса углеводородами. Недостатком такого насоса является – чувствительность насоса к загрязнению углеводородами. Загрязнения возможны при длительном сроке работы при относительно высоком давлении. Насосы плохо откачивают инертные газы.
При первичной откачке и после долговременной непрерывной работы (более полугода) магнито-разрядный насос необходимо подвергнуть предварительной откачке. Для этих целей применяется технологический вакуумный пост. Паспортное значение предельного остаточного давления может быть достигнуто после 10–20-часового прогрева насоса при откачке его механическим насосом с защитной ловушкой. Прогрев и обезгаживание необходимо для удаления с внутренних поверхностей насоса паров воды, а при длительной эксплуатации насоса для его регенерации. При регенерации кроме паров воды удаляются так же химически не связанные газы (замурованные на аноде газы, а так же газы осевшие на других поверхностях насоса).
Для электропитания магниторазрядных насосов обычно используют выпрямители (напряжение 3-7 кВ) с ограничением силы тока короткого замыкания. Для эффективной работы насоса к разрядной системе следует подводить оптимальную мощность. При превышении оптимальной мощности электроды насоса разогреваются, и поток газовыделения превышает поток сорбции.
Опыт эксплуатации магниторазрядных насосов убеждает в практически неограниченном их ресурсе (~150тыс. часов) при достаточной аккуратности обслуживающего персонала.