Объемные вакуумные насосы

В процессе объемной откачки выполняются следующие основные операции:

· всасывание газа за счет расширения рабочей камеры насоса;

· уменьшение объема рабочей камеры и сжатие находящегося в ней газа;

· удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу или насос предварительного разрежения.

В течение времени t₁ (рис.6.1) осуществляется всасывание газа (область І), в промежутке от t₁ до t₃ – сжатие газа (область ІІ), от t₃ до t₄ – выхлоп газа (область ІІІ). Затем цикл повторяется.

Кривые 1 и 3 на этом рисунке соответственно отражают зависимость объема камеры V_к и давления рабочей камеры р_к от времени. Кривая 2 соответствует изменению давления рабочей камеры в режиме работы с напуском балластного газа в момент времени t₂. Напуск балластного газа осуществляется при откачке паров воды или органических растворителей, давление насыщенных паров которых при рабочей температуре в насосе находится в промежутке от предельного давления р_пр до максимального выпускного давления.

Напуск газа снижает степень сжатия и предотвращает конденсацию откачиваемых паров в объеме насоса.

Предельное давление характеризуется мертвым объемом, утечками газа через клапаны, уплотнения, давлением паров рабочей жидкости, газовыделением из корпуса насоса и определяется по формуле:

где – коэффициент, учитывающий газовыделения из корпуса насоса и степень утечек газа; – объем вредного пространства, м³; – объем рабочей камеры насоса, м³; – давление выхлопа, Па.

Предельное давление объемной откачки можно улучшить, уменьшая общий обратный поток из насоса. Этого можно добиться, применяя ловушки, предотвращающие проникновение паров рабочей жидкости насоса в откачиваемый объем, или последовательно соединяя две ступени откачки для уменьшения прорыва газов из камеры сжатия в камеру всасывания.

Работа насоса представлена на р – V диаграмме (рис. 6.2) и определяется по формуле:

.

,

где – давление всасывания, Па; – наибольший объем рабочей камеры, м³; – показатель политропы.

Объемные вакуумные насосы в зависимости от конструктивной схемы делятся на поршневые, жидкостно-кольцевые и ротационные.

6.4.1. Поршневые насосы

В этих насосах откачка осуществляется за счет периодического изменения объема цилиндра при перемещении поршня. Поршневые вакуумные насосы широко применяют в промышленности для откачки сухих газов и газов с примесью капельной жидкости.

Цилиндры поршневых насосов могут быть простого и двойного действия, с водяным или воздушным охлаждением. Обычные поршневые насосы с самодействующими клапанами имеют предельное давление откачки р_пр = 4·10³…1·10⁴ Па. Улучшение р_пр достигается перепуском газа из мертвого пространства в конце хода поршня во вторую полость цилиндра, где осуществляется процесс всасывания.

Преимуществами поршневых вакуумных насосов являются высокий КПД, надежность работы, возможность длительной эксплуатации.

К недостаткам данного типа насосов следует отнести неравномерность процесса откачки, большие потери на трение, большие массогабаритные показатели.

6.4.2. Жидкостно-кольцевые насосы

Эти насосы (рис.6.3) имеют в цилиндрическом корпусе 1 эксцентрично расположенное рабочее колесо 2 с неподвижно закрепленными лопатками.

Между жидкостным кольцом и лопатками насоса образуются отдельные ячейки неодинакового размера. Вначале их объем увеличивается, и газ через всасывающее отверстие 3 в торцевой крышке поступает в насос. Затем объем ячеек уменьшается, и сжатый газ через отверстие 5 удаляется из насоса.

Жидкостно-кольцевые вакуумные насосы по конструкции проще поршневых, так как не имеют клапанов и распределительных устройств. Предельное разрежение р_пр таких насосов определяется давлением насыщенных паров рабочей жидкости.

Так, например, для водокольцевого насоса с р_пр = (2…3)·10³ Па быстрота действия составляет 25…500 л/с.

Достоинства жидкостно-кольцевых вакуумных насосов:

· протекание процесса сжатия с интенсивным теплообменом позволяет откачивать легко разлагающиеся, полимеризующиеся и взрывоопасные газы и смеси;

· наличие жидкостного кольца позволяет откачивать газы, содержащие пары, капельную жидкость, твердые инородные включения типа пыли и даже абразивные частицы.

К недостаткам данного типа насосов следует отнести:

§ высокую мощность, необходимую для вращения жидкостного кольца, и, как следствие этого, относительно низкий КПД;

§ высокое предельное остаточное давление 2,66…9,31 кПа для одноступенчатых и 0,133…0,665 кПа – для двухступенчатых;

§ невысокая окружная скорость на периферии рабочего колеса;

§ большая масса.