Пароструйные насосы

Работа пароструйных насосов основана на использовании откачивающего действия струи пара рабочей жидкости. Газ, поступающий в насос из вакуумной сис­темы, попадает в сферу действия струй пара и выталкивается последней в сторону выпускного отверстия. Пароструйные насосы не могут работать самостоятельно, а всегда составляют единый агрегат с насосом предварительного вакуума.

Рассмотрим один из типов пароструйных насосов:

а) Стеклянные пароструйные насосы

На рисунке 1 представлен один из типов стеклянных диффузионных насосов. Это один из первых образцов пароструйных насосов. Они изготовляются из стекла, кото­рое обеспечивает полную герметичность насоса. В качестве рабочей жидкости была взята ртуть, позволяющая легко создавать эффективную паровую струю и в то же время обладающая нужной химической и термической устойчивостью. Диффузионными они называются потому, что молекулы газа попадают в сферу действия струи пара путём диффузии в неё газа из вакуумной системы. Стеклянным паро-диффузионным насосам можно придавать различные формы и размеры.

1 – Испаритель;

2 – Подогреватель;

3 – Трубка;

4 – Сопло;

5 – Холодильник;

6 – Водяная рубашка;

7 – Изогнутая трубка;

8, 9 – Патрубок

Рисунок 1 – Стеклянный диффузионный насос

Ртуть в испарителе 1 подогревателем 2 поддерживается при температуре кипе­ния (предполагается, что необходимое предварительное разрежение уже создано, тем­пература кипящей ртути не превышает 120°С).

Пар поступает в трубку 3, называемую паропроводом, после того, как паро­провод прогреется так, что на его поверхности не происходит конденсации, пар не­прерывно подаётся через сопло 4, которым в данном насосе является просто конец па­ропровода 3. Из сопла 4 пар попадает в холодильник 5, стенки которого непрерывно охлаждаются проточной водой, поступающей в водяную рубашку 6 через нижнюю и выхо­дящей через верхнюю трубку (указано стрелками). Поступление воды именно через ниж­нюю трубку гарантирует полное смывание стенок холодильника даже при малом напоре воды. Попадая на холодные стенки, ртутный пар или пар из высокомолекулярных эфиров конденсируется, и жидкость стекает вниз через изогнутую трубку 7 обратно в испаритель. Таким путём происходит циркуляция рабочей жидкости и непрерывная по­дача струи пара из сопла. Трубка 7 осуществляет затвор, благодаря которому пар из испа­рителя направляется только вверх по паропроводу и не может попасть непосредст­венно в выпускной патрубок. Затвор того же назначения в том или ином конструктив­ном выполнении необходим в пароструйном насосе любой конструкции.

Благодаря изогнутости трубка 7 хорошо, пружинит и предохраняет ее от де­формаций, возникающих из-за разницы в температурах испарителя и холодильника.

Ртуть или эфир как рабочая жидкость должна быть чистой, не должна содер­жать влаги, воздуха и других газообразных примесей. При этом условии пар, выходя­щий из сопла, является средой с парциальным давлением газообразных примесей более низким, чем давление газа в вакуумной системе. Вследствие теплового движения газа из откачиваемого объекта по вакууму-проводу поступает в пароструйный насос (че­рез пропускной патрубок 8). Достигнув конца сопла, газ под разностью парциальных давлений (плотностей) диффундирует в струю и далее частицами пара, вылетающего из сопла, уносится по направлению струи. Количество встречных частиц пара, затруд­няющих диффузию газа в струю, сводится к достаточной быстрой конденсации выходяще­го из сопла пара на стенках холодильника. Для этой же цели выходящие из сопла части­цы должны иметь преимущественное направление вниз, в то же время скорость их должна быть столь большой, чтобы попавшие в струю пара, молекулы газа немедленно стали двигаться вниз со скоростями, превышающими скорости их теплового движения до попадания в струю. Эти условия необходимы для поддержания в струе пара вблизи со­пла минимального парциального давления или плотности газа.

Представление о направлении линии потока ртутного пара из прямого цилинд­рического сопла и о характере распределения плотности пара даёт рисунок 2.

Рисунок 2 – Направление линии потока ртутного пара из прямого цилинд­рического сопла

Пар рабочей жидкости, несмотря на преобладающее движение его частиц вниз, всё же выходит из со­пла расходящейся струей, поэтому, чем дальше от сопла, тем плотность пара меньше, в связи, с чем уменьшается увлекающее действие струи пара, а это в свою очередь, ве­дёт к постепенному возрастанию плотности газа, которая у стенок холодильника боль­ше, чем около сопла, и наибольшего, значения достигает в нижней части холодильника. Однако если насос предварительного разряжения выбран правильно, то нормальная работа диффузионного насоса будет продолжаться непрерывно, т.к. вблизи сопла будет, под­держиваться парциальное давление газа меньшее, чем в вакуумной системе. Специаль­ные исследования (как форма сопла влияет на скорость и направление струи) показали, что лучшие в этом отношении результаты даёт сопло, имеющее сужение, за которым трубка сопла расширяется в конус (рисунок 3.)

1 – Сопло;

2 – Холодильник;

3 – Водяная рубашка;

4 – Патрубок

Рисунок 3 – Трубка сопла, расширяющаяся в конус

Итак, нормальная работа диффузионного насоса зависит от соблюдения следующих условий:

1 Чистоты рабочей жидкости, обеспечивающей парциальное давление газо­образных примесей в струе пара, выходящей из сопла.

2 Достаточно большого динамического давления струи пара, созда­ваемого главным образом за счёт скорости его частиц, чтобы создавалась паровая струя с основным направлением вниз и с достаточной плотностью пара не только в пространстве вблизи сопла, но и у стенок холодильника, а также в нижней части последнего ( – плотность ртути или высокомолекулярного эфира, – средняя скорость паров в струе).

3 Достаточно низкого выпускного давления, создаваемого насосом предва­рительного вакуума.

При работе пароструйного насоса любой конструкции одновременно с желатель­ным явлением (проникновение газа из вакуумной системы в струю, пара рабочей жидкости) происходит нежелательное явление-диффузия паров рабочей жидкости в вакуумную систему.

Достоинствами стеклянных пароструйных диффузионных насосов являются: от­носительная простота изготовления (стеклодувная работа) и надежная герметичность, как самого насоса, так и места присоединения его к стеклянной вакуумной системе (спайка).

Однако стеклянные насосы имеют и много недостатков, связанных главным образом с непрочностью стекла в отношении механических и термических воздейст­вий, что затрудняет их использование в производственных условиях (нельзя исполь­зовать мощный подогрев и, следовательно, достигать высоких динамических давлений при выходе пара из сопла). Параметры стеклянных пароструйных диффузионных, на­сосов колеблются в пределах (10^-6 – 10^-8) мм рт. ст.

б) Металлические диффузионные насосы

Металлические пароструйные диффузионные насосы более прочны, имеют большие размеры, следовательно, большую быстроту действия, позволяют использо­вать подогревы больших мощностей, создавая тем самым большие динамические дав­ления пара рабочей жидкости при выходе из сопла.

Практические замечания по работе с пароструйными насосами:

а) Выбор рабочей жидкости

Приведем случаи, когда мы должны пользоваться высокомолекулярными насосами:

1 – когда приходится работать при очень высоких выпускных давлени­ях;

2 – для откачки приборов, работающих на ртутных парах;

3 – для откачки паров, химически воздействующих на органические жидкости;

4 – для откачки приборов, содержащих фото- или вторично-эмиттирующие поверхности и, вообще, предъявляются высокие требования к стабильности эмиттеров;

5 – для откачки приборов, предназначенных для анализа газов, когда есть опасность, что пары органических веществ и, в частности, продукты их разложения могут затемнить результаты анализа.

б) Выбор параметров

На основе параметров пароструйного насоса подбирается насос предвари­тельного разряжения". Насос предварительного разряжения должен быть установлен по возможности ближе к пароструйному насосу, так, чтобы выпускное давление паро­струйного насоса и впускное давление насоса предварительного разряжения можно бы­ло считать совпадающими. Далее, насос предварительного разряжения должен уве­ренно справляться с потоком газа, создаваемого пароструйным насосом, т.е. должно выполняться условие:

,

где – выпускное давление;

– быстрота действия (при этом давле­нии) пароструйного насоса;

и – соответственно те же величины насоса предварительного разряже­ния, причем для нормальной работы пароструйного насос необходимо, чтобы не пре­вышало наибольшего выпускного давления пароструйного насоса.