Пароструйная откачка

При пароструйной откачке молекулы газа, поступающие в насос, взаимодействуют со струей пара, имеющей звуковую или сверхзвуковую скорость, и получают дополнительную скорость в направлении насоса предварительного разряжения. Схема пароструйного насоса приведена на рис.5.17.

1– входной патрубок; 2 – сопла; 3 – камера смешения паровой струи; 4 – запирающий канал; 5 – камера разделения рабочего пара и откачиваемого газа; 6 – выходной патрубок; 7 – трубопровод; 8 – кипятильник;

9 –паропровод.

Рисунок 5.17 – Схема пароструйного насоса

При низком вакууме молекулы, находящиеся в пограничном с паровой струей слое, за счет внутреннего трения увлекают другие слои газа. Такие насосы называются эжекторными. В области высокого вакуума все молекулы откачиваемого газа, перемещающиеся за счет самодиффузии, непосредственно взаимодействуют с движущейся струей. Такие насосы называютсядиффузионными.

Первый вид вакуумных насосов, способных работать на атмосферное противодавление, чаще используется в промышленности. Здесь используется мощная струя водяного пара или масла, которое увлекает с собой откачиваемый газ (рис.5.18).

Рисунок 5.18 – Схема эжекторного насоса

Поток пара А, проходя через сопло J и уменьшая давление в пространстве х–х, удаляет газ из откачиваемого объема. Затем газ выбрасывается в атмосферу, а пары рабочей жидкости конденсируются и возвращаются в испаритель. Диффузионные насосы, предназначенные для работы в диапазоне 10^-1–10 Па, называются бустерными. В них применяют мощные подогреватели, термостойкие рабочие жидкости.

Схема диффузионного насоса приведена на рис. 5.19.

Рисунок 5.19 – Схема диффузионного насоса

Находящаяся в испарителе 1 рабочая жидкость (масло или ртуть) приводится в кипящее состояние действием электрического нагревательного элемента 8, образующийся пар устремляется вверх по паропроводу и выходит через сопла 2 и 3, направляющие поток вниз. Молекулы пара с высокой скоростью проходят кольцевые зазоры 6 и 7.

Молекулы газов, попадающие в высоковакуумную часть насоса 4, вследствие обычных соударений с другими молекулами и со стенками насоса достигают зазора 6 и увлекаются потоком пара вниз.

Поток пара охлаждается стенками насоса, пары конденсируется и возвращается в испаритель. Сообщенное молекулам газа направление движение способствует их накоплению в нижней части насоса. Давление, до которого может быть сжат газ действием первого сопла 2, может оказаться недостаточно эффективным для работы насоса и поэтому ставят дополнительные сопла.

Быстрота действия насоса примерно пропорциональна сечению кольцевого зазора между первым соплом и стенками, через которые молекулы газа попадают в поток пара.

Уменьшение площади поперечного сечения у второго сопла приводит к уменьшению скорости откачки, но, как правило, градиент давления и максимальное давление на выходе возрастают, т.к. поток пара концентрируется на меньшей рабочей поверхности (меньшее расширение после выхода из сопла). На рис.5.20 приведена откачная характеристика диффузионного насоса.

Рисунок 5.20 – Зависимость быстроты действия диффузионного насоса от впускного давления

К рабочим жидкостям пароструйных насосов предъявляют следующие требования:

– минимальная упругость паров при комнатной температуре и максимальная при рабочей температуре в кипятильнике;

– стойкость к разложению при нагревании;

– минимальная способность растворять газы;

– химическая стойкость по отношению к откачиваемым газам и к материалам насоса;

– малая теплота парообразования.

В качестве рабочей жидкости пароструйных насосов применяются ртуть, минеральные масла, сложные эфиры органических спиртов и кислот, кремнийорганические соединения. Ртуть (P-1, Р-2) как рабочая жидкость пароструйных насосов имеет следующие достоинства: не окисляется воздухом, однородна по составу и не разлагается при рабочих температурах насоса, растворяет малое количество газов и имеет высокую упругость пара при рабочей температуре в кипятильнике. Недостатки ртути: токсичность, химическая активность по отношению к цветным металлам, высокая упругость паров при комнатной температуре (10-1 Па).

Минеральные масла для пароструйных насосов (ВМ-1, ВМ-5) получают путем вакуумной дистилляции продуктов переработки нефти. Они характеризуются низкой упругостью пара при комнатной температуре (10-6 Па), удовлетворительной термостойкостью, но имеют невысокую термоокислительную стойкость и образуют смолистые налеты на внутренних деталях насоса.

Эфиры, применяемые в качестве рабочей жидкости пароструйных насосов, представляют собой продукты синтеза фталевой и себациновой кислот с высшими спиртами, а также полифениловые соединения, состоящие из бензольных радикалов, соединенных в цепи через атомы кислорода. Полифениловые эфиры ПФЭ обладают очень низким давлением паров при комнатной температуре (10-9 Па) и высокой термоокислительной стойкостью.

Кремнийорганические жидкости для пароструйных насосов (ВКЖ-94, ПФМС-2) — это полисилоксановые полимерные соединения, состоящие из функциональных групп (CH3)2SiO. Они обладают высокой термоокислительной стойкостью и достаточно низкой упругостью пара при комнатных температурах (10-5 Па).

Чаще всего используют в насосах дешевые минеральные масла. Кремнийорганические жидкости употребляются в системах с частым напуском атмосферного воздуха. Эфиры, стоимость которых еще велика, применяются для систем, где требуется получение сверхвысокого вакуума. Ртуть из-за токсичности используется в пароструйных насосах только для откачки ртутных систем, например ртутных выпрямителей.