Герметичные насосы перекачивают без потерь из одного сосуда в другой такие газы, утечка которых в атмосферу недопустима из-за их ценности (гелий-3, аргон) или вредности (например, токсичные газы). Такие насосы заливаются обезгаженным маслом, они имеют герметичный выходной фланец. Привод насоса осуществляется индукционным способом: ротор асинхронного двигателя короткозамкнут и находится в вакууме на одном валу с ротором насоса. Трехфазная обмотка, создающая вращающееся магнитное поле, размещена вне вакуума снаружи на герметичном немагнитном тонкостенном стакане, отделяющем ее от ротора. У насоса типа НВГ-5 с быстротой откачки 5,5 л/сек остаточное давление по воздуху составляет 3•10~5 тор Потребляемая мощность из-за индукционного привода (1,6 кет) несколько больше, чем у обычных насосов (ВН-10-2 на 6 л/сек потребляет 1,0 кет). Выходное давление в собирающем сосуде до 2,5 ат не ухудшает работы герметичного насоса — компрессора.
Газобалластные насосы служат для откачки газов с большим содержанием паров, например в химическом или фармацевтическом производстве. В обычном объемном насосе выхлопной клапан открывается, когда давление сжимаемого газа в камере достигает атмосферного. Однако еще раньше пар становится насыщенным, его давление достигает упругости и больше не растет, а избыток пара конденсируется в жидкую фазу. В ре
зультате пар не поддается откачке, а образующийся конденсат портит масло. Например, вода дает эмульсию и активирует кислоты масла, вследствие чего повышается давление паров масла, портится вакуум, происходит коррозия и осмаливание рабочих поверхностей насоса.
Пусть максимальное сжатие в насосе емаьс, чтобы открыть клапан, необходимо выполнение условия 8макс7,г+Лпр>-Ра, где Рупр — упругость насыщенного пара; Рг и Ра — начальные давления газа и пара
Откачка с конденсацией происходит при условии 8ьонд<еМакс, где еКОнд= Рущ>/Р- Количество пара в камере насоса в момент начала сжатия равно PnV, в момент выхлопа-—РупрУм/емакс- Отсюда доля сконденсированного пара равна
Пусть, например, Рп = Рг=5 тор; при рабочей температуре насоса 60° С для воды Рупр=150 тор. Тогда емакс = = 122, еКонд = 30, доля неоткачиваемого сконденсированного пара составляет 75%.
В газобалластных насосах помимо входного и выхлопного отверстий существует третье отверстие, через которое в нужный момент цикла сжатия в камеру насоса автоматически впускается атмосферный воздух. В результате полное давление в камере насоса поднимается, клапан открывается, а парциальное давление пара не достигает упругости, вследствие чего становится возможной откачка пара параллельно с воздухом без конденсации.
Необходимый поток балластного газа Qg и его давление Pg опоеделяют из условия
Поскольку 8макс^Рупр/Рп (конденсация отсутствует), получим
Если бы балластный газ всасывался через входной патрубок насоса вместе с откачиваемой смесью, то его
давление равнялось бы Рб/емакс, а поток 5Рб/еМакс. Отсюда необходимый поток балластного газа павен' зависимость Об от давления водяного пара в смеси1 и от ее концентрации показана на рис. 10. Величина Qe~ требуется тем больше, чем выше парциальное давление пара или чем меньше содержание газа в смеси.
Газобалластные насосы выполняются на базе обычных ротационных насосов, которые снабжают дополнительным клапаном и дозатором для балластного газа. Производительность насоса по папу равна где М — молекулярный вес пара. Например, для насоса ВН-2Г производительность (7 = 75 г/ч по водяному пару, максимальный поток Q6=110 л-тор/сек, максимальное давление водяного пара на входе Рп=4 тор; предельный вакуум (полный) Рпр = 0,25 тор.
Двухроторные насосы предназначены для достижения большой быстроть откачки (порядка 500 л[сеь и более) в промежуточном диапазоне давлений 1— 10"3 тор В рабочей камере насоса два ротора в форме восьмерок вращаются навстречу друг другу (рис. 11), при этом ’ расширяется всасывающая полость и сжимается выталкивающая. Точная профилировка роторов такова, что между ними и стенками камеры при вращении существуют малые зазоры порядка 0,1 мм. Отсутствие масла и трения между роторами позволяет придать им большие скорости вращения (до 3-103 об/мин). Однако через зазоры в насосе протекает обратный поток воздуха, вследствие чего давление на выходе двухроторного насоса должно понижаться последовательно присоединенным ротационным насосом.
Пусть осевая длина ротора равна L, площадь сечения двух впадин А, число оборотов в минуту п. Тогда геометрическая быстрота откачки двухроторного насоса равна Sr=2 • 10~3AL •— л/сек. Обычно Д=^-л/)2/4, где D — диаметр окружности, описываемой ротором, следовательно,
Если D = 50 см, п=1000 об/мин, то Sr=15-103 л/сек. Эффективная быстрота откачки меньше Sr из-за наличия обратного потока воздуха:
Здесь С3 — пропускная способность зазоров, РВых и Рвх — выходное и входное давления насоса. При моле-
кулярном режиме С3=11,6А3£. где А3 — общая площадь щелевых зазоров между двумя роторами, боковыми и торцовыми поверхностями роторов и стенками камеры; £ = 0,2 учитывает щелеобразный характер диафрагмы.
Предельный вакуум у двухроторных насосов достигает 10”4 (полный) и 10”5 тор (по воздуху), он содержит продукты масла из подшипников и из присоединенного ротационного насоса Объединение двухроторного и масляно-ротационного насосов в один агрегат дает выгоду, так как первый из них обеспечивает большую
Таблица 10
|
Параметр |
Тип агрегата | |||
|
АВМ-5 |
АВМ-50 |
АВМ-150 |
ДВН-1500 | |
|
Быстрота откачки, л/сек |
5—10 |
40—50 |
130 |
1500 |
|
Предельный вакуум по воздуху, тор |
IO-» |
2-10—5 |
2-Ю-4 |
5 10—4 |
|
Насос предварительного разрежения |
ВН-461 |
ВН-2МГ |
ВН-1МГ |
ВН-6Г |
быстроту откачки при малых давлениях, а второй позволяет получить большой перепад давлений, недостижимый с помощью одного двухроторного насоса. В табл. 10 приведены параметры промышленных двух-роторых агрегатов, а на рис. 12 — агрегат АВМ-150.
Двухроторные насосы используются также в качестве механических бустеров, т. е. как промежуточные вспомогательные насосы между последовательно соединенными мощными высоковакуумными пароструйными насосами и низковакуумными масляно-ротационными насосами.
Отечественные двухроторные насосы находятся на уровне лучших мировых образцов. Например, фирма «Sogev» (Франция) выпускает насосы двухроторного типа с максимальной быстротой откачки 550 л/сек.
Турбомолекулярные насосы сочетают принцип молекулярного увлечения и осевого компрессора, они напоминают обращенную турбину [36]. Для того чтобы точки
на окружности ротора имели линейные скорости порядка молекулярных (430 м!сек), при диаметре 50 см ротор молекулярного насоса должен совершать 16- 103 об!мин. На рис. 13 видно, что диски ротора и статора турбомо-лекулярного насоса имеют симметричные наклонные прорези. Набегающие поверхности ротора соударяются с молекулами и как бы подталкивают их, сообщая им скорости, нормальные к поверхностям и направленные к выходным патрубкам. Каждая пара дисков ротора и
статора представляет одну ступень откачки и имеет столько параллельных каналов откачки, сколько прорезей в диске.
Число ступеней откачки в одном насосе может быть 30—40, поэтому достигается очень большой коэффициент компрессии: Р^ых/Рж до 5-Ю7 по воздуху (по водороду — 250). Зазоры между дисками порядка 1 мм, поэтому возможны очень большие скорости вращения. При длине ротора 670 мм и диаметре 170 мм быстрота откачки турбомолекулярною насоса достигает 140 л/сек в диапазоне давлений от 10~2 до 10~8 тор, что является рекордом для насосов механического типа.
Из-за наклона вырезов в дисках и их движения получается как бы расширение каналов для потока газа в направлении откачки и сужение каналов в обратном направлении. Пропускная способность насоса в прямом
|
Параметр |
Тип насоса | |
|
ТВН-200 |
ТВН-500 | |
|
Предельный вакуум, тор |
5-10—8 |
510—» |
|
Быстрота откачки, л/сек. |
200 |
500 |
|
Скорость вращения ротора, об!мин |
16000 |
12000 |
|
Мощность двигателя, нет |
0,4 |
0,8 |
|
Наибольшее выпускное давление, тор |
l-10-i |
1-10-1 |
|
Носос предварительного разрежения |
ВН-10-2 |
ВН-10-2 |
направлении больше, чем в обратном, и эта разница возрастает с увеличением скорости вращения. Легкие газы хуже откачиваются турбомолекулярным насосом, так как у них больше тепловые скорости.
Турбомолекулярные насосы требуют пониженного давления на выходе и используются совместно с последовательно присоединенными масляно-ротационными насосами. Промышленность выпускает щасосы марки ТВН (табл. 11) с приводом от электродвигателя через шкив с большим передаточным отношением. Насосы марки ТМН имеют дна двигателя иа одном валу, один! из которых выключается в рабочем режиме после раз^ гона ротора.
Агрегат ТВА-200 (рис. 14) представляет собой конструктивное объединение насоса ТВН-200 с масляно-ротационным насосом.