Вакуумные пароэжекторные насосы
Вакуумные пароэжекторные насосы
Эти насосы служат для удаления больших потоков газов и парогазовых смесей в интервале давлений 105-1 Па. Пар под давлением 5-10 атм истекает через сопло. Применяются три вида прямоточных сопел (рис. 4.2): прямое, сужающееся, сопло Лаваля.
Скорость струи пара на выходе зависит от отношения давлений на выходе и входе: АР = Р2/Р1; существует понятие критической скорости истечения, при котором через сечение сопла идет максимальный поток газа:
где g = 9,81 м/с2; у = Cp/Cv — показатель адиабаты истечения; R — газовая постоянная, Т1 — абсолютная температура перед соплом, К.
В прямом сопле (см. рис. 4.2, а) Vmax << Ркр, для сужающегося сопла (см. рис. 4.2, б) максимальная скорость истечения Vmax < Ркр и достигает ее лишь на выходе. В сопле Лаваля (см. рис. 4.2, в) происходит преобразование потока с дозвуковой скоростью в поток со сверхзвуковой скоростью без потерь энергии.
Схема пароэжекторного вакуумного насоса (ПЭВН) представлена на рис. 4.3. Пар под давлением с высокой скоростью истекает из сопла 1 в виде турбулентной или ламинарной струи (в зависимости от скорости парового потока).
Вследствие турбулентного перемешивания вихревых масс паровой турбулентной струи с молекулами откачиваемого газа 2 и вязкостного трения между граничными слоями вязкостной струи и прилегающими слоями газа, последний захватывается и увлекается в сужающийся насадок — конфузор 3 (камеру смешения), служащий для обеспечения возможно более полного перемешивания пара и газа. Вследствие обмена энергиями при смешении и возникновении скачка уплотнения (как у самолетов) давление откачиваемого газа повышается, а скорость потока падает до дозвуковой. В горловине эжектора 4 завершается выравнивание параметров смеси, а в расширяющемся насадке — диффузоре 5 происходит дальнейший переход кинетической энергии смеси в потенциальную с падением скорости и повышением давления до выпускного (за диффузором).
Рабочее тело — это обычно водяной пар, который берется с ТЭЦ (могут быть также пары масла, ртути и даже сухой сжатый воздух). Степень сжатия — не более 10 на одну ступень, поэтому одна ступень, работающая с выхлопом в атмосферу, дает остаточное давление ~ 104 Па. Для получения более низких давлений делают многоступенчатые насосы (рис. 4.4). При этом за эжекторной ступенью 1 устанавливают конденсатор 2, в котором проточной водой конденсируется пар, а газ откачивается следующей ступенью. Конденсат и охлаждающая вода удаляется самотеком по сливным трубам 3 в дренажный колодец 4. Водяной затвор в сливе высотой примерно 10 м уравновешивает разность между атмосферным давлением и давлением в конденсаторе. Дренажный колодец также служит отстойником для загрязнений, что важно при откачке пылесодержащих сред, ядовитых, коррозионных или радиоактивных компонентов. Иногда под конденсат используется промежуточная емкость с откачным насосом — так называемый барометрический бак (для уменьшения габаритов). В состав многоступенчатого насоса также входят градирня и насос оборотной воды (рис. 4.5). Для получения более низких давлений используются многоступенчатые насосы, в которых за первыми ступенями нет конденсаторов. Так, шестиступенчатый насос с тремя первыми ступенями без конденсаторов обеспечивает предельное остаточное давление 0,5 Па.
Среди материалов корпуса насосов встречается чугунное и стальное литье, коррозионностойкая и жаропрочная сталь, материалы с резиновым и фарфоровым покрытием. Сопла изготовляются из бронзы, металлопластика или нержавеющей стали (рис. 4.6).
Для обеспечения максимального КПД и объема откачки необходима тщательная обработка внутренних поверхностей проточной части и сопла (полировка, скругление углов перехода от конуса к цилиндру в сопле и диффузоре).
Достоинства: возможность откачки паро- и пылегазовых коррозионных, ядовитых и радиоактивных сред, высокотемпературных газов (1200 °С).
Недостатки: большие габариты, привязка к источникам рабочего тела (ТЭЦ).
Основные области применения: откачка вакуумных дуговых и индукционных печей, обезгаживание жидких металлов, дистилляционные установки, сублиматоры и сушильные аппараты (в том числе системы сушки нефтепродуктов и пищевых масел), вакуумные кристаллизаторы, аппараты для пропитки, т.е. в тех технологических процессах, где имеется повышенное газовыделение.
Обозначения: НВЭ 2,5 (до 1000) Х 1 (до 160)/6(10); ПЭВН 300х0,5/9СН: НВЭ — насос вакуумный эжекторный; ПЭВН -пароэжекторный вакуумный насос; первая цифра — производительность по сухому воздуху при 293 К (20 °С), кг/ч, вторая -сечение сопла, третья — давление рабочего пара, атм.
Число рабочих ступеней — обычно 2-4 шт. (максимум 6).
Характеристики: расход пара 43+6…5625+647 кг/ч. Расход охлажденной воды 2.7+0‘4…208.0+24 м3/ч. Масса 0,49-10,63 т, максимальные габариты ступени по длине 1,40-8,75 м, угол конусности конфузора 5-7 град, диффузора 5-8 град.
Основные производители в России и СНГ: ОАО «Вакуум-маш» (г. Казань), НПО «Энергомашавтоматика», Новокраматорский машиностроительный завод (Краматорск, Украина).
Основные производители за рубежом: BOC Edwards (Великобритания), Varian Vacuum Technologies, Leybold (ЕС) и др.