Паромасляные диффузионные насосы
Паромасляные диффузионные насосы
При пароструйной откачке (рис. 8) молекулы газа, поступающие в насос через входной патрубок 1, взаимодействуют со струей пара, имеющей звуковую или сверхзвуковую скорость, и приобретают дополнительную скорость в направлении насоса предварительного разрежения, присоединяемого к выходному патрубку 5.
В камере насоса 3 происходит смешение паровой струи, выходящей из сопла 2, и откачиваемого газа. Разделение откачиваемого газа и рабочего пара осуществляется в камере 3 в процессе конденсации рабочего пара на охлажденных поверхностях 4. После чего откачиваемый газ выходит из насоса через выходной патрубок 5, а сконденсировавшийся пар стекает по стенкам холодильника 4 в кипятильник, где вновь испаряется за счет нагревателя б и по паропроводу 7 попадает в рабочее сопло 2, обеспечивая непрерывность процесса откачки.
Диффузионные насосы предназначены для работы в области высокого и сверхвысокого вакуума. Паромасляные насосы применяются совместно с механическими вакуумными насосами с масляным уплотнением.
Чтобы диффузионный насос мог действовать, требуется предварительный вакуум порядка 10 Па, что и обеспечивается форвакуумным насосом.
При таком вакууме средний свободный пробег молекулы газа уже достаточно велик для того, чтобы происходила диффузия газа в струю пара и молекулы пара могли без столкновений достигать холодных стенок насоса и конденсироваться.
Взаимодействие откачиваемого газа с паровой струей зависит от степени вакуума. При низком вакууме молекулы, находящиеся в пограничном с паровой струей слое, за счет сил внутреннего трения увлекают другие слои газа. Такие насосы называют эжекторными.
В области высокого вакуума механизм увлечения газа обусловлен диффузионными процессами. Вследствие разности концентраций газа над паровой струей и в самой струе (очень мала) происходит диффузия газа в струю. Такие насосы называются диффузионными.
Коэффициент сжатия для пароструйных насосов:
где иП — скорость струи пара,
L — длина струи пара,
Drn — коэффициент диффузии газа через струю пара на выпускную сторону насоса.
где D0 — постоянная взаимной диффузии, через нее определяется зависимость параметров наноса от рода газа.
Константа D0 для легких газов значительно больше, чем для тяжелых. Поэтому степень сжатия и наибольшее выпускное давление рвып при откачке легких газов будет всегда ниже, чем для тяжелых.
Если рассматривать идеальный случай, когда откачка происходит через щель площадью А, то максимальная быстрота действия насоса бу-
дет:
где Оар — средняя арифметическая скорость молекул газа.
Реальная быстрота действия будет меньше из-за неполного захвата молекул газа паровой струей. Введем коэффициент /0 — вакуум-фактор или коэффициент эффективности диффузионной щели:
Коэффициент хо зависит от рода газа и мощности подогревателя.
Реальная быстрота действия для диффузионной щели в диапазоне давлений, когда она остается постоянной, будет равна:
В области давлений, близких к предельному рпр, быстрота действия SH диффузионного насоса определяется:
где р — рабочее давление.
Конструкции паромасляных диффузионных насосов имеют ряд особенностей, связанных с использованием в качестве рабочих жидкостей масел. Это прежде всего устройства, обеспечивающие фракционирование (т.е. разделение на фракции) неоднородных масел. Эти масла представляют смесь фракций с различным давлением насыщенного пара и различной массой. С учетом этого в насосах предусмотрено фракционирование рабочей жидкости за счет многоступенчатой конструкции насоса.
На рис. 9, а показана схема трехступенчатого насоса, для которого первая ступень является входной, а третья ступень — выходной. Входная ступень определяет предельное остаточное давление и быстроту действия насоса. Плотность струи пара в первой ступени должна быть малой для обеспечения большой скорости диффузии газа в струю. Для выходной ступени, определяющей наибольшее выпускное давление насоса, давление пара рабочей жидкости должно быть, возможно, большим для получения струи высокой плотности.
Фракционирование масла, стекающего в кипятильник по стенке корпуса, осуществляется с помощью лабиринтных колец (рис. 9, б), удлиняющих путь масла до поступления его в центральную зону кипятильника. При этом легкие фракции масла, имеющие низкую температуру кипения, испаряются в наружном кольце лабиринта и поступают в паропровод 3 (рис. 9, а). Тяжелые фракции, имеющие сравнительно высокую температуру кипения, испаряются во внутреннем кольце лаби-
ринта и направляются в высоковакуумную ступень 1. Тяжелые фракции имеют низкое давление насыщенного пара и тем самым обеспечивают низкое предельное давление на входе насоса.
Основной характеристикой пароструйных насосов является зависимость быстроты действия от давления на входе в насос (рис. 10).
При увеличении рабочего давления за верхнюю границу молекулярного режима течения (область III) быстрота действия уменьшается в связи со снижением скорости диффузии молекул газа в струю пара и при максимальном входном давлении стремится к нулю.
В средней области рабочих давлений II быстрота действия постоянна и равна Smax.
При приближения рабочего давления к предельному pnp (область I) она стремится к нулю из-за наличия обратного потока газов и паров из насоса в откачиваемый объем. При низких давлениях количество газа, откачиваемого насосом, Qnp невелико и соизмеримо с тем количеством газа, которое проникает в откачиваемый объем за счет натекания и газо-выделения, Qo6p.
Быстрота действия SH зависит от совокупности изменения следующих параметров: мощности кипятильника, рода газа, температуры газа, рода рабочей жидкости. Мощность кипятильника определяет плотность и скорость струи пара.
Для получения максимальной быстроты действия по различным газам необходимо установить оптимальный режим подогрева для откачки каждого газа (рис. 11)
Например, при постоянной мощности W1 азот откачивается с максимальной скоростью, а водород практически не откачивается, что приводит на практике к селективности откачки.
Достоинства паромасляных диффузионных насосов: получение высокого вакуума, простота конструкции, большие скорости откачки.
Недостатки: селективность откачки, наличие паров масел в рабочем объеме и др.
Все паромасляные диффузионные насосы требуют предварительного разряжения и начинают работу с давления р3 = (1-10) Па. Предельное давление насосов зависит от конструкции насосов, от степени охлаждения корпуса насоса, свойств рабочих жидкостей и находится в интервале от 10 -5 до 10 -7 Па. При применении азотных ловушек на входе насоса предельное давление можно уменьшить на один — два порядка.