8-812-740-66-02
8
-812-989-04-49
info@vactron.org

Вакуумный пластинчато-роторный насос

Применение вакуумных насосов

Для создания разрежения в каком-либо вакуумном приборе, который обычно представляет собой стеклянный или металлический баллон, из него нужно удалить часть газа.

Для удаления газа необходимо иметь в своем распоряжении простейшую вакуумную систему (рис. 1), которая должна состоять, по крайней мере, из трех элементов: откачного средства 1 (вакуумного насоса), вакуумпровода 2, соединяющего насос с откачиваемым объемом, и откачиваемого объема 3.


До начала откачки давление во всех ее частях одинаково и газ в целом остается неподвижным. Включение откачивающего устройства, работа которого основана на принципе непрерывного выбрасывания порций газа через выпускной патрубок 4 в атмосферу, приведет к тому, что на место удаленного газа будет непрерывно поступать газ по вакуумпроводу из откачиваемого объекта, и количество его в системе будет непрерывно уменьшаться. Поскольку объем системы и температура газа остаются неизменными, то уменьшение его количества вызовет понижение давления, величину которого можно определить, применив уравнение Менделеева- Клапейрона

,
где Р0, Pi и N0, N1 - начальное и конечное давления и количества молекул в откачиваемом объеме.
Понижение давления, описываемое выражением (1), соответствует статистическому состоянию, когда из вакуумной системы удалено N0 - N1 молекул газа. Но так как процесс откачки идет непрерывно, в вакуумпроводе у входного патрубка вакуумного насоса давление P1 будет ниже, чем давление P2 на другом его конце у откачиваемого объекта. Следовательно, в динамическом режиме (процесс откачки не прекращается) на концах вакуумпровода создается и поддерживается разность давлений P2 - P1, которая называется движущей разностью давлений. Она возникает из-за того, что вакуумпровод оказывает сопротивление потоку газа, подобно сопротивлению проводника электрическому току. Поэтому движущую разность давлений по формальной аналогии с законом Ома можно назвать падением давления вдоль вакуумпровода.
Введя понятие потока Q как количества газа, проходящего через поперечное сечение вакуумпровода за единицу времени, сопротивление вакуумпровода R можно выразить через параметры Q и P2 - P1


Однако в вакуумной технике удобнее пользоваться не сопротивлением вакуумпровода, а величиной, обратной сопротивлению, которую называют пропускной способностью или проводимостью U. Тогда


Таким образом, пропускная способность характеризуется количеством газа, протекающего через любое сечение вакуумпровода за единицу времени при движущей разности давлений, равной единице. Пропускная способность зависит от режимов течения газа и геометрических размеров трубопровода.
Для количественной характеристики степени улучшения вакуума в откачиваемой системе пользуются такими параметрами, как быстрота действия насоса Sh и быстрота откачки объема S0.
Быстрота действия насоса определяется объемом газа, поступающего в единицу времени из вакуумпровода в насос при впускном давлении P1 т.е.:

где dVH - бесконечно малый объем газа, входящего в насос при давлении P1 за бесконечно малый промежуток времени dx. Переход к бесконечно малым dVH и dx связан с тем, что быстрота действия большинства вакуумных насосов зависит от давления, которое в свою очередь изменяется во времени, а знак минус в выражении (4) означает процесс разрежения, а не сжатия газа.
В вакуумпроводе с сопротивлением R скорость снижения давления у откачиваемого объекта будет меньше, чем у входа в насос. Следовательно, эффективность насоса не будет полностью использоваться, поэтому приходится вводить понятие быстроты откачки объема S0. По аналогии с уравнением (4) можно записать:

Это выражение также описывает изменение объема газа, поступающего за единицу времени из откачиваемого объекта в вакуумпровод при давлении P2 в откачиваемом объеме. Параметры Sh и S0 измеряются в см3 /с, л/с и т.п.
Количество газа, проходящего через любое сечение вакуумпровода за единицу времени, есть величина постоянная. Поэтому количественно поток Q может быть записан в виде:

где P - давление газа в каком-либо сечении вакуумпровода; V - объем газа, проходящего через то же сечение за время x.
Применив уравнение (6) к сечению входного патрубка насоса, получаем:


Можно также ввести понятие быстроты действия вакуумной системы S в любом ее сечении, где измерено давление P. Тогда аналогично уравнению (7)
Из выражения (8) следует, что, зная

поток газа Q, можно определить быстроту откачивающего действия в любом сечении вакуумной системы, если известно давление в этом месте. Воспользовавшись выражениями (3) и (8), находим:

Вычитая из первого равенства второе и решая относительно 1/S0, получим основное уравнение вакуумной техники

где U - пропускная способность вакуумпровода, соединяющего насос с откачиваемым объемом. Уравнение (10) показывает насколько фактическая быстрота откачки S0 отличается от быстроты действия насоса Sh, которая имела бы место в отсутствие вакуумпровода.


Основные параметры вакуумных насосов
Наибольшее давление запуска Рз - давление во входном сечении вакуумного насоса, при котором насос может начать работу. По этому параметру все насосы можно подразделить на две большие группы:
а)   насосы, которые откачивают пары и газы из объема с первоначальным атмосферным давлением; к ним относятся механические вакуумные, пароэжекторные, водоструйные и подобные им насосы;
б)   насосы, которые для своей работы требуют предварительного разрежения всей вакуумной системы, включая и сам насос; к ним относятся молекулярные, сорбционные и другие насосы.

Предварительное разрежение для этих насосов обычно создается насосами первой группы, для которых наибольшее давление запуска P3 равно атмосферному. Для удобства эксплуатации насосов второй группы их часто объединяют в агрегаты с насосами первой группы.

Наибольшее выпускное давление Рвых - давление в выходном сечении вакуумного насоса, при котором насос еще может нормально работать. Этот параметр особенно важен для высоковакуумных диффузионных насосов, у которых превышение наибольшего выпускного давления 10 - 1 Па может привести к разрушению паровой струи и заносу большого количества пара в откачиваемый объем. Отметим, что наибольшее выпускное давление диффузионных насосов практически совпадает с наибольшим давлением запуска.

Предельное остаточное давление Рпр - предельно низкое давление, которое достигается насосом при работе без нагрузки, т.е. когда на вход насоса не поступают извне газы или пары.
Невозможность бесконечного понижения давления обусловлена тем, что в каждом реальном насосе всегда существует обратный поток газов и паров со стороны выпускного патрубка на выход насоса. Обратный поток может состоять из паров рабочей жидкости, газов, выделяющихся из конструкционных материалов, и газов, натекающих из окружающей среды через неплотности. С понижением давления поток откачиваемого газа в насосе уменьшается, в то же время обратный поток остается практически неизменным; поэтому наступает момент, когда эти потоки становятся одинаковыми и давление на входе насоса перестает понижаться. Это и есть предельное остаточное давление, достигаемое насосом.

У большинства насосов при достижении остаточного давления, кроме остаточных газов, на входе имеются и конденсирующиеся пары, в связи с чем различают полное остаточное давление, т.е. сумму парциальных давлений остаточных газов и паров, и давление остаточных газов.


Контроль основных параметров вакуумных насосов
При изготовлении и эксплуатации вакуумных насосов возникает необходимость в периодической проверке основных эксплуатационных параметров насосов. Измерения параметров обычно проводят на испытательной установке, которая содержит, кроме испытуемого насоса, измерительную камеру, средства измерения давления, потока и состава газа, а также необходимую коммутирующую аппаратуру.

Полное предельное остаточное давление газа и паров измеряют обычно у насосов объемного действия. Для этого производят откачку измерительной камеры до тех пор, пока в ней установится, так называемое равновесное давление, т.е. такое давление, которое затем в течение следующих 3 часов изменится не более чем на 10%.
Это установившееся равновесное давление и принимается за предельное остаточное давление насоса.

Измерение предельного остаточного давления газов у насосов других типов производится аналогичным образом с той лишь разницей, что перед манометрическим преобразователем, как правило, устанавливают азотную ловушку и до измерений проводят обезгаживание насоса и измерительной камеры.
Следует также особо подчеркнуть, что часто возникают ошибки в измерении предельного остаточного давления, связанные с малой проводимостью трубопровода, соединяющего измерительную камеру с манометрическим преобразователем. Обычно эта проводимость должна быть не менее 50 л/с, однако, во всех случаях предпочтительней использовать манометрические преобразователи открытого типа.

Измерение быстроты действия насосов проводится следующими методами:

а) Метод постоянного объема

Рассмотрим вначале теоретический насос, т.е. такой насос, для которого быстрота действия не зависит от давления. Пусть за малый промежуток времени dx из объема V в рабочую камеру насоса перейдет элементарный объем газа dVH, а давление уменьшится на величину dP. Поскольку температура всей системы остается неизменной, то, применяя закон Бойля-Мариотта, получаем дифференциальное уравнение


 

 

которое после умножения и деления левой части на dx преобразуется к виду:

Однако быстрота действия реальных насосов является функцией давления и только для ограниченного интервала, протяженность которого зависит от типа выбранного насоса, является постоянной.
Надпись: где P0 - давление в откачиваемом объеме при τ = 0 (начало работы насоса). Из уравнения (14) следует, что при откачке насосом с постоянной быстротою действия закон изменения давления в исследуемом объеме выражается экспоненциальной зависимостью, график которой представлен на рис. 2.
Вторая особенность вакуумных насосов состоит в том, что при предельном входном давлении быстрота действия их становится равной нулю. Это можно объяснить двумя причинами: наличием механических дефектов конструкции (негерметичность, вредные пространства - полости, расположенные вблизи впускного и выпускного отверстий, из которых газ при откачке не удаляется, и т.д.) и присутствием в насосе паров рабочих жидкостей и смазок.

Исследуя закон изменения давления в объеме V при откачке реальным насосом (рис. 3), можно строго пользоваться выражением (14) и (15) в интервале Ра - Рб (рис. 4), в котором Sh остается величиной постоянной. Что касается участков, примыкающих к области аб, то здесь следует вводить понятие о средней быстроте действия насоса на небольших интервалах изменения давления. Если моментам времени τ1 и τ2 соответствуют давления P1 и P2 (рис. 3), то среднюю быстроту действия насоса в этом интервале следует вычислять по формуле


 

где Pnp - предельное давление насоса.
Определение быстроты действия насоса по формуле (16) называется методом постоянного объема и сводится к снятию экспериментальных зависимостей P = f(x). Для этого откачиваемый объем с манометром присоединяют непосредственно к входному патрубку насоса без промежуточных вакуумпроводов.
Так как Sh изменяется с изменением Р, наиболее удобно определять величины Sh из графика зависимости lnP = f(x) путем нахождения тангенса угла наклона касательной к полученной кривой (рис. 5).



определяют графическим путем. Найденная таким образом величина Sh называется дифференциальной быстротой действия и характеризует производительность вакуумного насоса в любой момент времени.

Из рассмотренного выше следует, что метод постоянного объема пригоден в тех случаях, когда речь идет об определении быстроты действия насосов, не обладающих большой производительностью.

б) Метод постоянного давления

Для высокопроизводительных насосов метод постоянного объема непригоден, т.к. возникают серьезные затруднения в получении экспериментальных зависимостей P = J(x). От этого недостатка свободен метод постоянного давления, при котором измеряют поток газа, напускаемого в измерительную камеру, и затем по соответствующим соотношениям определяют быстроту действия насоса. В зависимости от ожидаемой производительности насоса применяют различные методы измерения потока газа. Для этого откачивают измерительную камеру до давления 0,1 Ph (Ph - давление, при котором требуется измерить быстроту действия). Затем с помощью натекателя напускают в измерительную камеру газ до установления давления Ph и измеряют при этом одним из способов поток напускаемого газа.
Таким образом, быстрота действия насоса при данном давлении определяют по формуле


где Ph - давление во входном сечении насоса.

Устанавливая натекателем различные давления Ph в измерительной камере и измеряя при этом поток напускаемого газа, снимают таким образом зависимость быстроты действия насоса от впускного давления Sh = J(Ph).

Методы измерения потока разреженного газа
Один из важнейших параметров вакуумной системы - давление определяется балансом потоков поступающего и откачиваемого газов.
Поэтому при проведении различных процессов в вакууме важно знать поток откачиваемых газов, тем более что поток является в известной степени характеристикой качества обезгаживания или состояния поверхности вакуумной системы.
Погрешность измерения потока разреженного газа обычно составляет от 50 до 100% и во многом обусловлена сорбционно-десорбционными процессами и погрешностью определения расчетных величин давления.

а) Метод калиброванного потока

При реализации этого метода в рабочий объем вакуумной системы вводят поток газа Qk , значение которого известно, а парциальный состав соответствует составу газа, выделяющегося из источника 1. Для определения потока из источника 1 проводят два измерения давления: с подведенным потоком (P2) и без него (Pi).


Если эффективная быстрота откачки So в месте установки манометрического преобразователя 2 остается постоянной, то на основании уравнений:


 

получим


 

где Q - поток газа из источника 1; Qk - известный вводимый поток газа; P1 - давление в системе до введения в нее потока; P2 - давление в системе после введения в нее потока.

Постоянство эффективной быстроты откачки проверяется путем повторного измерения при другом значении вводимого потока Qk . Если окажется при этом, что величина измеряемого потока Q не изменилась, то это означает, что эффективная быстрота откачки осталась постоянной и отсчеты потока достоверны.

б) Метод калибровочного сопротивления и двух манометрических преобразователей

Для измерения потока газа в трубопроводе устанавливают калиброванное сопротивление (капилляр, диафрагму) 3 с известной проводимостью. При движении газа на калибровочном сопротивлении 3 возникает разность давлений, которая измеряется с помощью манометрических преобразователей 1 и 2, устанавливаемых по обе стороны от сопротивления.


где U - проводимость сопротивления 3; P1 - давление газа, измеренное перед сопротивлением преобразователем 1; P2 - давление газа, измеренное после сопротивления преобразователем 2.

В качестве калибровочного сопротивления наиболее часто используют тонкие перегородки, в которых делается несколько отверстий. Толщина стенки перегородки должна быть не менее чем в 20 раз меньше диаметра отверстий в ней, которое в свою очередь должно быть во столько же раз меньше размера трубопровода.

Описанные выше методы применяют для измерения небольших потоков газов (менее 10-3 м Па/с). Для измерения средних по величине потоков может быть рекомендован следующий метод.

в) Метод ртутной капли

К входному патрубку насоса 1, быстроту действия которого требуется определить, присоединяется объем 2 с манометром 3 и трубка небольшого сечения с регулируемым натекателем 4. Вход натекателя 4 сообщается с атмосферой через капилляр 5 и кран 6. При работающем насосе и открытом кране 6 натекателем можно отрегулировать такое количество поступающего в насос воздуха, чтобы манометр 3 показал требуемое стабильное давление Р. Затем в трубку 5 впускается капля ртути, кран 6 закрывается и с этого момента времени τ1 капля ртути начинает свое перемещение. Перекрыв натекатель 4 или соединив систему краном 6 с атмосферой, останавливают перемещение ртути в трубке 5.


Зная диаметр трубки d и отмечая расстояние I, которое капля ртути прошла, за время τ2 - X1, вычисляют объем газа V откачанного насосом из трубки 5 при атмосферном давлении. На основании равенства потоков газа в трубке 5 при атмосферном давлении и в любом сечении объема 2 при давлении Р имеем


Недостаток этого метода связан с использованием ртути, из-за токсичности которой нужно иметь специальное оборудование и строго соблюдать правила техники безопасности.

Дозирование потоков более 0,2 м Па/с можно проводить с помощью ротаметров, в которых используется сопротивление движению потока газа, создаваемое поплавком, находящимся в вертикальной конической трубке.

Вращательные пластинчатые насосы
Свое название пластинчатые насосы получили из-за наличия в их конструкции пластин, которые в одном типе насосов вращаются вместе с ротором (пластинчато-роторные), а в другом - расположены в статоре (пластинчато-статорные насосы).

Пластинчато-роторный насос состоит из цилиндрического ротора 2 (рис. 6), ось вращения которого расположена эксцентрически относительно оси статора 1 так, что ротор и статор касаются друг друга в верхней точке по образующей. Ротор по диаметру имеет прорезь (проем), в которую помещены две пластины 6 и 7, прижимаемые к цилиндрической поверхности статора пружиной 8. Кроме того, в корпусе статора имеются входное


отверстие 11 и выпускной канал, в котором смонтирован клапан 9. Таким образом, ротор, статор и пластины создают три объема 3, 4, 5.

Объем 3, расположенный со стороны входного отверстия, называется полостью впуска; объем 4, отделенный пластинами от входного и выходного отверстий - полостью переноса и объем 5 - полостью выпуска.
При вращении роторов в направлении, указанном стрелкой, объем полости 3 увеличивается и происходит всасывание газа, а полость выпуска уменьшается, что приводит к сжатию газа и выталкиванию его наружу. После того как пластина 6 пройдет выпускное отверстие, полость переноса становится полостью выпуска, а всасывание еще продолжается. Когда же пластина 6 пройдет общую образующую и выходное отверстие, полость всасывания переходит в полость переноса и процесс начинается заново.

Объемы, расположенные между общей образующей и отверстиями в статоре, являются "вредными" пространствами. Вредность пространства у выходного отверстия заключается в том, что в нем газ сильно сжат, в то время как в полости всасывания создается разрежение, в результате чего возможен прорыв газа в откачиваемую систему.

Трущиеся поверхности пластинчатых насосов должны быть хорошо обработаны и нуждаются в постоянной смазке. Смазка, кроме того, служит для заполнения пространства 5 в конце сжатия. Это необходимо для открытия выпускного клапана, когда вакуум, создаваемый насосом, приближается к предельному и давление сжатого газа недостаточно для открытия выхлопного канала.

Предельный вакуум, создаваемый пластинчато-роторными насосами, зависит не только от величины вредного пространства, но также от качества обработки поверхностей, их смазки и сорта масла. Обычно для одной ступени предельный вакуум достигает значения 10-1 - 10-2 мм рт. ст.

Для получения лучшего предельного вакуума применяют последовательное соединение двух насосов, как показано на рис. 7. Они выполняются в одном блоке, и тогда насос называется двухступенчатым. Для двухступенчатых насосов предельное давление около 10-3 мм рт. ст. Для увеличения быстроты откачки вакуумной системы допускается параллельное включение механических насосов.


В пластинчато-статорном насосе пластина 3 расположена в статоре 1 (рис. 8). Так как ротор 2 насажен эксцентрически по отношению к камере и вращается вокруг оси симметрии в цилиндрической полости статора, пластина под действием пружины


4 может совершать возвратно-поступательные движения, разделяя камеру на две полости: всасывающую и выпускную.

К основным преимуществам пластинчато-статорных насосов относятся малый объем вредного пространства у выходного отверстия и меньшее количество таких мест внутри насоса, через которые газ смог бы просачиваться в откачиваемую систему.

Принцип газового балласта
Вращательные механические насосы непригодны для эффективной откачки объемов, содержащих значительные количества конденсирующихся паров, так как последние не подчиняются закону Бойля-Мариотта. При сжатии давление пара остается постоянным, а его излишек переходит в жидкую фазу и, смешиваясь с маслом, образует эмульсию. Поэтому через выхлопной клапан насоса выбрасывается увлажненный сжатый воздух, а основная масса пара, попавшего в насос, остается в сконденсированном состоянии в виде масло-жидкостной эмульсии или растворяется в масле, что приводит к быстрому ухудшению предельного давления насоса.

Были предложены различные методы устранения этого недостатка, например, нагревание масла, центрифугирование. Наиболее удобной оказалась продувка газа с использованием газобалластного устройства, которое устанавливается в корпусе насоса и может быть по необходимости открыто или закрыто. В таких насосах пары не конденсируются вследствие того, что в определенный момент рабочего цикла в камеру насоса подается атмосферный воздух, и степень сжатия газопаровой смеси значительно       снижается.     Рассмотрим для примера работу газобалластного пластинчато-роторного насоса (рис. 9).

Для впуска балластного газа используется добавочное отверстие D, находящееся перед выхлопным клапаном. Когда пластина проходит отверстие D, в область переноса впрыскивается некоторое количество воздуха при атмосферном давлении. При этом выхлопной клапан откроется до того, как произойдет конденсация паров.


В вакуумных насосах с продувкой степень сжатия за счет газового балласта снижается до 10, поэтому такие, насосы в состоянии откачивать пары воды при парциальных давлениях до нескольких десятков миллиметров ртутного столба.
Влияние газового балласта на быстроту действия и предельный вакуум насоса показано на рис. 10, из которого видно, что предельный вакуум с продувкой (кривая 2) хуже, а скорость откачки со стороны низких давлений меньше, чем для обыкновенного насоса (кривая 1).


Однако, если предельное давление, получаемое с помощью балластного устройства, уже достигнуто, это значит, что основная масса конденсирующихся паров из откачиваемой системы удалена. Поэтому доступ балластного газа следует перекрыть, после чего может быть получен более высокий предельный вакуум.

Цель данной работы - определение быстроты действия механического насоса методом постоянного объема. Вакуумная схема установки приведена на рис. 11.


Механический насос 1 может откачивать объем 2 либо через вакуумпровод 6, либо через вакуумпровод 7. Необходимая коммутация осуществляется трехходовым краном 8. Кран 9 служит для напуска атмосферного воздуха в механический насос после его остановки. Величина давления в объеме 2 измеряется деформационным 3 и термопарным 4 манометрами. Кран 5 служит для напуска атмосферного воздуха в объем 2.

Порядок выполнения работы
Перед началом работы

  1. Краны 5 и 9 открыты;
  2. Кран 8 закрыт.

Включение установки

  1. Закрыть краны 9 и 5 и откачивать объем через вакуумпровод 6. Для снятия кривой откачки объекта одновременно с пуском электродвигателя насоса включается секундомер, затем производится регистрация времени достижения определенных значений давления.
  2. Когда давление в системе перестанет уменьшаться, фиксируют предельное давление Рпр системы.
  3. Результаты измерений заносят в таблицу, форма которой приводится ниже:

Показания деформационного манометра переводятся в единицы давления с учетом атмосферного давления. При использовании термопарного вакуумметра давление находят по калибровочным графикам для лампы ПМТ-2.

  1. По кривой откачки, при использовании соответствующих формул, приведенных ранее, находят So и строят график зависимости Sh = J(P). При расчетах сопротивлением вакуумпровода от объема 2 к манометрам пренебречь.
  2. Затем проводят ту же процедуру при откачке объема через трубопровод 7.

Контрольные вопросы:

  1. Остаточное (предельное) давление насоса и системы.
  2.  Быстрота       откачки:            конструктивная          (геометрическая), теоретическая и действительная.
  3. Производительность насоса.
  4. Сущность метода постоянного объема для экспериментального определения скорости откачки.

 

Дополнительная профессиональная образовательная программа «Основы течеискания и вакуумной техники» 25 – 27 сентября 2018

Основы течеискания и вакуумной техники»Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова и ООО «ВАКТРОН» приглашают сотрудников предприятий принять участие в курсе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники» 25 – 27 сентября 2018 года.

Базовые темы обучения:

  • Контроль герметичности в авиационной и космической отрасли
  • Обслуживание и ремонт течеискателей ULVAC HELIOT и ТИ1-50, ТИ1-30, ТИ1-22
  • Аттестация сотрудников и лаборатории неразрушающего контроля
  • Герметичность объектов военного назначения
  • Сервис пластинчато-роторных, бустерных, спиральных, золотниковых и плунжерных насосов. Выбор вакуумного масла
  • Выбор вакуумных насосов и течеискателей для металлургии, научных исследований и коммерческих задач
  • Контроль герметичности компрессорного и холодильного оборудования, приборов СВЧ, микроэлектронных изделий
  • Стенды для проверки топливных шлангов, колесных дисков, топливных баков, компрессоров
  • Поверка и калибровка в сфере контроля герметичности
  • Локализация утечек теплообменников, водонагревателей, реле и литиевых батарей

После прохождения итогового тестирования специалист получает методические материалы, видеозапись занятий и удостоверение о повышении квалификации государственного образца по университетской программе дополнительного профессионального образования. Занятия будут проходить в Санкт-Петербурге в аудиториях университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Для направления на обучение необходима предварительная регистрация. Регистрация участников: 8 (812) 740-66-02, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Скачать приглашение и новую программу курса (DOC)
Политика конфиденциальности


8-812-740-66-02
8-812-989-04-49
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.