Диффузионные насосы

Диффузионные насосы (ДН) применяют для откачки вакуума до остаточных давлений 10^-1.. .10^-5 Па и ниже. При таких давлениях длина свободного пути молекулы откачиваемого газа Л больше диаметра впускного отверстия насоса, поэтому в нем преобладает молекулярный режим течения газа (в отличие от БН, где он преимущественно молекулярный на первых ступенях и вязкостный на последних). Таким образом, механизм удаления газа в ДН обусловлен исключительно диффузией откачиваемого газа в струю. Попав в струю пара, молекулы газа уносятся ею к водоохлаждаемой стенке корпуса насоса, при этом пар конденсируется на стенке, а газ, сжатый до выпускного давления ступени, перетекает вдоль стенки в пространство над следующей ступенью насоса. Наряду с прямой диффузией наблюдается и обратная диффузия в струю со стороны форвакуума, однако эти молекулы сталкиваются со струей пара и оттесняются ею обратно, и лишь небольшая часть их диффундирует в струю в обратном направлении. Обычно это несоизмеримо малая величина, но в случае откачки легких газов на режиме, оптимальном для воздуха, влияние обратной диффузии может быть заметным.

ДН, подобно БН, являются многоступенчатыми системами с соплами зонтичного типа. По роду рабочей жидкости они разделяются на паромасляные и парортутные. В паромасляных насосах используют различные рабочие жидкости органического происхождения с низким давлением пара. Как правило, это смеси фракций с различными давлениями пара и молярными массами.

Для работы первой (входной) ступени, определяющей предельное остаточное давление и быстроту действия, нужна рабочая жидкость с низким давлением паров как при нормальной температуре — для получения низкого остаточного давления, так и при рабочей температуре — для создания паровой струи малой плотности, чтобы обеспечить высокую скорость диффузии газа в струю. Для последней (выходной) ступени, определяющей максимальное выпускное давление насоса, давление пара при нормальной температуре несущественно, а давление пара при рабочей температуре должно быть максимальным, чтобы получить струю высокой плотности. С учетом этого в конструкциях современных ДН предусматривают фракционирование рабочей жидкости в самом насосе, при этом тяжелые фракции с малым давлением направляют к ступени I, а легкие с большим давлением пара — к последней ступени. Такие насосы называют фракционирующими. Устройство фракционирующего насоса показано на рис. 4.10, а.

Первые две (или три) ступени 1 зонтичного типа, 3-я (или 4-я) — эжекторная 2. Для фракционирования рабочей жидкости в насосе паропроводы ступеней 3 раздельны (в отличие от БН, где он общий), а на днище ДН установлен специальный

лабиринт 4, образуемый разрезными фракционирующими кольцами (рис. 4.10, б). Конденсат масла, стекающий по стенке корпуса, попадает через прорези в нижней части паропровода 2-й (3-й) ступени в пространство зоны III и далее в зоны II и I, постепенно обедняясь за счет испарения по мере движения к центру (т.е. паропроводу I ступени) легкими фракциями с высоким давлением пара, и, таким образом, утяжеленная часть жидкости с низким давлением пара поступает во внутренней паропровод I ступени, а легкие фракции попадают во II и III (эжекторную) ступени. Корпус 5 и маслоотражатель 6 охлаждаются водой. В ряде случаев (передвижные установки) используют принудительное воздушное охлаждение вместо водяного, которое осуществляется мощным вентилятором. Для этого на корпусе также выполняются ребра охлаждения.

Внешний вид одной из моделей диффузионного насоса показан на рис. 4.11.

Основные конструкционные материалы — алюминий и нержавеющая сталь (паропроводы, сопла), низкоуглеродистая и коррозионно-стойкая сталь, латунь (корпус), медь (змеевик охлаждения, колпачковый маслоотражатель).

Парортутные насосы отличаются от паромасляных отсутствием фракционирующего устройства (так как ртуть однородна и не делится на фракции) и все ступени питаются паром одного состава. Кроме того, ртуть химически активна, что обусловливает выбор конструкционных материалов насоса. Надо также учесть, что давление паров ртути при нормальной температуре достаточно велико (~ 0,1 Па) и для получения высокого вакуума между парортутным насосом и откачиваемым сосудом устанавливают криогенную (работающую на жидком азоте) ловушку, позволяющую получить предельное остаточное давление Р = 10^-10 Па. На выходе из насоса также ставится дисковая ловушка для конденсации паров ртути.

Обозначение: Н-0,025-2, НВО-40М, НВД-0,15, НВДС-63-40, где цифра — быстрота действия, л/с, при впускном давлении Рв.п = 10^-1 Па. НВДМ-100, НСВДМ-630, цифра — диаметр впускного фланца, мм; Н-50Р — ртутный.

Старые маркировки Н-0,05 (2, 5, 8). Цифра — типоразмер (чем больше, тем больше насос).

Характеристики: быстрота действия 10-16250 л/с при давлении Р = 10^-1 Па; предельное остаточное давление 10^-56,5—10^-4 Па; максимальное выпускное давление 26,6-92 Па; мощность подогрева 0,23-9 кВт; расход охлажденной воды 30,0-600 л/ч; количество рабочей жидкости 0,02-3,5 л; масса 4-250 кг.

Вакуумные пароструйные агрегаты собираются из типовых узлов: насос, маслоотражатель, ловушка, затвор, рама, электроарматура.

Агрегаты АВДМ-100 (160, 250, 400, 630) выпускаются на базе ДН НВДМ с вакуумными затворами шиберного типа 2ЗВЭ, заливной азотной ловушкой, термореле для отключения нагревателя при превышении предельной температуры корпуса (отключения воды).

Агрегаты более ранних серий на базе насосов Н-0,5 (2-8) и других обозначались соответственно АВП-0,5 (2-8) и ВА-2-3 (5-4) и 8-4. Комплектация их практически та же, но затвор углового типа и имеются дополнительно питающее устройство и сосуд Дьюара для хранения жидкого азота, так как ловушки агрегатов АВП типа ДУ имеют внешний питатель не заливного типа, термореле марки ТР-200.

Основные производители в России и СНГ: ОАО «Вакуум-маш», г. Казань (собственное производство и по лицензии).

Основные производители за рубежом: BOC Edwards (Великобритания), Varian Vacuum Technologies, Leybold (ЕС) и др.