Применение вакуумных насосов

Вакуумные насосы находят себе в последнее время самое широкое применение в различных областях промышленности. В первую очередь следует отметить производство радиоламп, приемных и передающих телевизионных трубок, фотоэлементов, рентгеновских трубок, ламп накаливания, ртутных ламп, газоразрядных приборов.

С помощью быстродействующих вакуумных насосов производится откачка печей для вакуумной плавки и пайки, больших металлических ртутных выпрямителей, высоковольтных осциллографов, электронных микроскопов, установок для катодного распыления, установок для нанесения покрытий под вакуумом, вакуум-спектрографов, масс-спектрометров, циклотронов, установок для молекулярной дистилляции и ряда других устройств в различных областях науки и производства.

Современные вакуумные насосы делятся на две основные группы:

• 1. Объемные вращательные масляные насосы, действие которых основано на механическом выталкивании газа, заполняющего рабочий объем, движущимися частями насоса.

• 2. Пароструйные вакуумные насосы, работа которых основана на откачивающем действии струи пара рабочей жидкости (за счет диффузии или вязкостного захвата).

Любой вакуумный насос характеризуется тремя основными параметрами:

А) Предельным давлением или предельным вакуумом, т. е. минимальным давлением, которое может быть достигнуто данным насосом.

Предельное давление является, вообще говоря, суммой парциальных давлений остаточных газов и паров рабочей жидкости. Однако, ввиду того что свойства рабочей жидкости не связаны непосредственно с качеством самого насоса, предельный вакуум как параметр насоса обычно оценивается только по парциальному давлению остаточных газов, тем более, что парциальное давление паров рабочей жидкости можно снизить до весьма малого значения с помощью вымораживающих ловушек.

Предельное давление для большинства вращательных масляных насосов обычно достигает величины 10~³ мм рт. ст. и зависит от следующих факторов:

• 1. Качества заливаемого в насос масла, его вязкости и растворенных в нем примесей.

• 2. Растворимости откачиваемого газа в масле.

• 3. Величины вредного пространства, из которого газ механически не выбрасывается при работе насоса.

• 4. Качества масляного уплотнения.

• 5. Герметичности корпуса и подшипников вала.

Предельное давление пароструйного высоковакуумного насоса зависит в основном не от конструкции насоса, а от свойств его рабочей жидкости и прежде всего от упругости ее паров при температуре холодильника насоса. Применяемое в большинстве современных паромасляных насосов вакуумное масло марки Д-1 имеет упругость паров 2 • КГ⁸ мм рт. ст. при 20° С.

Как показывает опыт работы с пароструйными насосами, величина предельного давления зависит от чистоты рабочей жидкости и количества растворенных в ней примесей и газов.

У паромасляных насосов величина предельного давления может сильно возрасти в том случае, если допустить перегрев масла или же соприкосновение горячего масла с¹ атмосферным воздухом, в результате которого образуются летучие продукты, имеющие значительную упругость пара.

Поскольку предельные давления, достигаемые современными пароструйными насосами, весьма низки (порядка 10~⁶—10^-7 мм рт. ст.), большое значение для их работы имеют чистота обработки и герметичность стенок насоса и всей вакуумной системы.

Б) Максимальным выпускным давлением, т. е. предельно большим значением давления на стороне выпускного патрубка насоса, превышение которого приводит к возрастанию давления на стороне впускного патрубка насоса.

У вращательных масляных насосов максимальное выпускное давление несколько выше атмосферного.

В пароструйных высоковакуумных насосах выпускное давление значительно ниже, чем у вращательных; оно редко превышает 1 -н2- 10^-1 мм рт. ст. Поэтому для обеспечения нормальной работы пароструйного насоса необходимо его выпускной патрубок присоединить к всасывающему патрубку вращательного насоса, создающего требуемое предварительное разрежение. Включение пароструйного насоса на откачку допускается лишь тогда, когда давление в откачиваемой вакуумной установке не превосходит максимального выпускного давления насоса.

В) Быстротой действия, т. е. объемом газа, проходящим под давлением р через сечение впускного патрубка насоса в единицу времени. Быстрота действия насоса (употребительны также термины «быстрота откачки» и «скорость откачки») определяется формулой

Для определения S_H необходимо проинтегрировать полученное уравнение. Поскольку быстрота действия неодинакова при различных давлениях у входа в насос (будучи наибольшей в начальные моменты откачки, она уменьшается по мере снижения давления, а при достижении предельного давления становится равной нулю) то S_H является функцией давления, и следовательно, при интегрировании мы имеем право вынести эту величину за знак интеграла лишь при условии, что интегрирование производится в достаточно узких пределах. В этом случае быстрота действия насоса будет определяться как средняя для интервала давления за взятый короткий промежуток времени.

Приняв начальное давление за р’, а давление в момент времени t за р", имеем:

Переходя от натуральных логарифмов к десятичным и разделив обе части уравнения на I, получим следующее выражение для быстроты действия насоса:

Быстрота действия вращательных насосов определяется объемом газа, удаляемого насосом за один оборот ротора, и скоростью вращения ротора; как видно из рис. 3, она сильно зависит от давления.

Быстрота действия большинства пароструйных высоковакуумных насосов определяется главным образом площадью сечения впускного патрубка, в силу чего практически в достаточно широких пределах не зависит от давления удаляемого газа (рис. 37).

К дополнительным параметрам вращательных насосов, относятся число оборотов в минуту, мощность двигателя, расход воды, расход масла и т. д.

К дополнительным параметрам пароструйных насосов, помимо мощности подогревателя и расхода воды, относятся так называемые удельные характеристики, показывающие величину мощности, затрачиваемой в данном насосе для получения быстроты откачки 1 л!сек, а также быстроту откачки насоса в л!сек, отнесенную к единице площади входного отверстия.

Обе эти удельные характеристики говорят о том, насколько совершенна та или иная конструкция пароструйного насоса. Существенным параметром высоковакуумного насоса является также его термодинамический к. п. д. (работа сжатия, отнесенная к единице мощности).