Конспект лекций "Вакуумная техника"

Преподаватель Конев С.А.

Лекция 3

Эжекторные вакуумные насосы

Данные насосы предназначены для откачки воздуха и других газов от атмосферного давления до 100 Па.

Рабочее вещество, попадая через сопло 1 под давлением 2.5 10⁵ Па в камеру смешения и расширяясь, а затем в диффузор 2 увлекает воздух. В результате этого создаётся вакуум в линии клапана 8. В диффузоре статическое давление смеси воды и газа за счёт уменьшения скорости повышается до атмосферного давления. Смесь воды с газом стекает в бачок 3, откуда стекает в дренажную линию, подсоединённую к патрубку 4.

Для выхода газа из бачка во фланце 5 предусмотрено отверстие. Насос присоединяется к вакуумной системе через кран 8. Резервуар 7 предназначен для приёма воды, засасываемой через диффузор бочка в случае аварийного прекращения её подачи. Через кран 6 подаётся воздух в резервуар при остановке насоса, а также предотвращает всасывание воды.

Производительность насоса возрастает с повышением давления воды. Предельное остаточное давление насоса практически равно упругости пара воды и увеличивается с повышением её температуры.

            Водоструйные насосы часто применяются в системах безмасляной откачки, последней ступени пароэжекторного насоса.

            Пароэжекторные насосы предназначаются для безмасляной откачки больших сосудов до давлений 1-10^-1 Па. Пароэжекторные насосы могут быть с одной ступенью, двух и более ступенчатыми присоединёнными последовательно друг другу.

Тема: "Высоковакуумные пароструйные насосы"

• Теории высоковакуумного диффузионного насоса (ДН)

1.1. Теория Геде (Gaede)

                Первые модели высоковакуумных насосов появились в 1912-1915 г.г.. Теоретическое рассмотрение работы ДН дал Геде в работах:

• Gaede W., Ann. d. Phys., Bd., 41, 289, 1913;
• Gaede W., Ann. d. Phys., Bd., 46, 357, 1923;
• Gaede W., Ann. d. Phys., Bd.,  4,  337, 1923.

                В своих работах Геде показал, что физической основой работы ДН лежит диффузия газа в паровую струю.

                В модели не учитывалось:

• наличие определённой структуры струи при истечении пара из сопла;
• влияние структуры струи на работу насоса;
• паровой поток принимался равномерно- распределённым по всему сечению рабочей камеры насоса и движущимися с одинаковыми по сечению скоростями, плотностями и давлениями.

                По трубке от А к В движется ртутный пар. В сечении G происходит диффузия пара в паровую струю. Диффузия происходит в результате разницы парциальных давлений откачиваемого газа в ртутном паре и сечении G. Между сечениями G и С постоянно имеется градиент концентраций ( парциальных давлений). Для предотвращения попадания паров ртути в сечение С на трубке G-C установлены холодильники- конденсаторы Е-К и К^' - F ^'.

1.2. Теория Яккеля (Jaeckel).

Теория изложена в работах:

• Яккель Р. Получение и измерение вакуума. (пер. с нем.), Изд-во ин. лит., 1959 г.
• Jaeckel R., Ztschr. techn. Phys., Bd. 23, 177, 1942.
• Jaeckel R., Ztschr. Naturf., № 2а, 666, 1947.       

Допущения:

• молекулы пара выходя из сопла, движутся с постоянной, равномерно распределённой по сечению рабочей камеры насоса скоростью, параллельно оси сопла;
• наличие молекул пара, движущихся в сторону, противоположную потоку и их влияние на работу насоса- не учитываются.

• Режим предельного вакуума (S=0);
• режим откачки (S ¹ 0).

                Теория Яккеля позволяет определить:

• зависимость быстроты действия насоса от скорости и плотности паровой струи;
• быстрота действия насоса равна площади диффузионной диафрагмы;
• быстроту действия насоса, зависящую от противо диффузии газа через струю, молекулярного веса откачиваемого газа;
• зависимость предельного остаточного давления от молекулярного веса газа, плотности и скорости паровой струи;
• определить S_max  и вакуум-фактор Но= S_нас/S_теор (Симплекс Хо);
• изменение Р_ост. и степени сжатия при изменении молекулярного веса газа.

                1.3. Теория Неллера

                Открыл возможность исследования воздействия струи пара при помощи методов газовой динамики. Фотографировал и исследовал струю пара.

                Подробное рассмотрение откачивающего действия на основе кинетической теории газов должно привести к созданию теории, не содержащей произвольных параметров и неточных предположений. В случае равновесия, распределение скорости мол. газа в откачиваемом объёме представляет собой Максвелловское распределение, средняя скорость равна 0 и никакого газового потока не существует. В процессе откачки, Максвелловское распределение скоростей заметно изменяется только на входе в насос, где происходит взаимное столкновение мол-л газа и пара. Но в смесительной камере насоса плотность струи пара достаточно низкая, благодаря чему в нее легко проникают мол. газа, но одновременно эта плотность препятствует обратной диффузии мол. газа с форвакуумной стороны. Распределение скоростей в смесительной камере насоса происходит не по закону Максвелла, т.к. имеет место непрерывное столкновение мол. газа и пара, поэтому ДН откачивает мол. газа.

                Предположение по процессу откачки:

                "взаимные столкновения мол. газа и пара влияют на распределение скоростей мол. газа, в результате чего возникает газовый поток, направленный в форвакуумную сторону. Этот процесс наблюдается как в смесительной камере, так и на входе в насос. Поэтому нет необходимости рассматривать откачивающее действие отдельно в различных местах смесительной камеры".

                Расчёты, Неллер провёл только по координате Х ( направлена вдоль оси насоса),  Предполагалось, что составляющая скорости пара V_oy не влияет на газовый поток в направлении Y, а влияет только на распределение плотности газа.

2. Характеристики диффузионных насосов

• Быстрота действия (S):

                С ростом впускного давления, возрастает и выпускное давление. Оно регламентируется величиной быстроты действия форвакуумного насоса. Увеличение выпускного давления приводит в возникновению скачка уплотнения в струе, перемещению его к соплу и отрыву струи от стенок насоса, сто приводит к возникновению перетока молекул из форвакуума в сторону высокого выкуума.

                Быстрота действия ДН зависит:

• От рода откачиваемого газа и его температуры;
• размеров ДН, площади диффузионной диафрагмы, формы корпуса;
• рода рабочей жидкости и структуры паровой струи;
• конструкции ДН;
• величины выпускного давления.

2.1.1. Зависимость быстроты действия ДН от площади диффузионной диафрагмы.

О влиянии площади диффузионной диафрагмы на быстроту действия вакуумного насоса:

• Holstmark F., Ramm W., Westin S., Rev. Sci. Justrum., №8, 90, 1937.
• Грошковский Я. Технология высокого вакуума (пер. С польск.) Изд-во ин. Лит., 1957.

                2.1.2. Зависимость быстроты действия от структуры струи.

                Под структурой струи понимается характер распределения и величины параметров:

• плотности;
• скорости;
• давления;
• температуры в струе.

2.1.3. Зависимость быстроты действия ДН от рода откачиваемого газа

                Часто на практике полагают, что , что никогда не выполняется и в лучшем случае .

  При откачке лёгких газов, быстрота действия ДН не подчиняется этому уравнению. S зависит от обратной диффузии молекул газа из форвакуумной области в область высокого вакуума. Для выбора оптимальной мощности при откачке газов различного молекулярного веса можно пользоваться с допустимой для практики точностью уравнением:

2.1.4. Зависимость быстроты действия от величины выпускного давления.

2. Наибольшее выпускное давление

                Для парортутных ДН: 0.5-3 мм рт.ст..

                Для паромасляных : 0.1-0.3 мм рт.ст..

             P_вп                                                                                       P

                                                  N₁    <N₂   <  N₃

Удельные характеристики диффузионного насоса

(характеризуют степень совершенства насоса)

• Удельная быстрота действия площадь диффузионной диафрагмы. Для большинства пароструйных диффузионных вакуумных насосов S`= 3.5 - 5.5 л/(с см²).
• Вакуум-фактор (симплекс Хо): .
• Термодинамический КПД. . = 10^-4-10^-3, т.е. от всей подводимой мощности только 10^-4-10^-3 часть используется на совершение работы сжатия в насосе.
• Удельный расход мощности. ,
• 
  
• 
  
•  но эта величина не учитывает наибольшее выпускное давление
•  и соответственно степень сжатия в насосе. Термодинамический КПД учитывает этот недостаток.







{jlcomments}