Вакуум. Производство вакуума

Всасывание, сжатие и нагнетание газа осуществляется при изменении объемов  ячеек, образованных эксцентрично расположенным ротором, пластинами, корпусом и торцовыми крышками. Между ротором, кольцами и корпусом, а также между ротором и торцовыми крышками предусмотрены минимально возможные зазоры. В торцовых крышках 4 и 7 корпуса расположены вертикальные отверстия Б, соединенные с горизонтальным каналом Д. В нижней части корпуса и торцовых крышках выполняют ряд отверстий В и Е. По специальному перепускному каналу Ж газ из ячейки наименьшего объема и пространства торцовых зазоров отводится в ячейку начала сжатия, отсоединенную от всасывающего окна. При этом происходит выравнивание давлений в рабочих ячейках: давление газа в ячейке наименьшего объема падает до давления выравнивания, а и ячейке начала сжатия давление возрастает с  давления   всасывания до давления выравнивания. Это приводит, с одной стороны, к увеличению коэффициента откачки и снижению предельного остаточного давления, с другой стороны, – к увеличению удельной  потребляемой на сжатие газа мощности.

Перепуск газа наиболее эффективен при больших перепадах  давлений в ячейках. Поэтому ею применяют  обычно при давлениях всасывания менее 30 кПа у насоса  с  большим  числом пластин (до 20).

Насосы со стальными  пластинами, как правило, выполняют  с разгрузочными кольцами. Выход  пластин из пазов вращающегося ротора ограничен разгрузочными кольцами 5 и 6, вставленными свободно в корпус. Внутренний диаметр разгрузочных колец меньше диаметра расточки корпуса. Поэтому между рабочей кромкой пластин и образующей цилиндра имеется гарантированный радиальный зазор (∆ ≈ 0,08 мм). Кольца свободно вращаются, увлекаемые силой трения движущихся пластин, вследствие чего путь скольжения пластин по кольцам меньше, чем по корпусу. При этом снижается мощность, затрачиваемая на преодоление трения пластин по корпусу, и уменьшается износ трущихся деталей, но возрастают внутренние перетекания газа через радиальный зазор. Во время работы насоса пластины не должны соприкасаться с поверхностью цилиндра.

Для выравнивания давлений снаружи и внутри разгрузочных колец в них выполнены радиальные отверстия Г малого диаметра.

В насосах с неметаллическими пластинами, имеющими значительно меньшую плотность, чем стальные, силы инерции снижаются в 3,5 ... 5 раз. Применение разгрузочных колец в этом случае нецелесообразно, так как уменьшение потерь на трение сопровождается увеличением внутренних перетеканий газа.

Рабочая полость ПРВН без перепуска газа (рис. 3.2) не герметична. Рабочий процесс насоса в значительной степени зависит  от внутренних перетеканий газа и внешних натеканий воздуха, теплообмена, гидравлических потерь и перевального объема. Внутренние перетекания газа во всасывающую полость так же, как и внешние натекания из атмосферы через сальник и неплотности между корпусом и крышками в цилиндр насоса, снижают его быстроту действия. В начальный момент сжатия газа, когда давление в рабочей ячейке низкое, количество газа, перетекающего из других ячеек с более высоким давлением, превышает количество газа, вытекающего из ячейки. Поэтому давление газа в рабочей ячейке будет возрастать быстрее, чем в теоретическом случае при отсутствии перетеканий. При дальнейшем процессе сжатия уменьшается приток газа в ячейку, но растет количество вытекающего газа. Следовательно, масса газа в рабочей ячейке в процессе сжатия не остается постоянной.

 

 

Рис. 3.2. Конструктивная  схема  насоса  без  перепуска  газа

Всасывание газа сопровождается повышением его температуры, так как он соприкасается с более нагретыми деталями насоса (ротором, пластинами). Температура нагнетаемого газа, определяемая политропическим процессом сжатии, выше, чем температура ротора и пластин. Таким образом, количество подводимой и отводимой теплоты в процессе сжатия газа непрерывно изменяется. Теплообмен газа с рабочими органами ПРВН вызывает повышение потребляемой мощности.

Давление газа в ячейке ПРВН при всасывании и нагнетании не совпадает с давлением газа в патрубках вследствие гидравлических потерь. Это приводит к снижению быстроты действия и повышению мощности на сжатие газа, а перевальный объем снижает эффективность работы насоса.

Этот насос относится  к машинам с нерегулируемым отношением давлений, которое в значительной мере определяется расположением кромок всасывающего и нагнетательного окон. Поэтому при изменении расчетного давления всасывания и нагнетания в момент открытия окон наблюдается несовпадение давлений в ячейке и патрубке. Это приводит к перетеканию газа и возникновению дополнительного шума при работе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4  ДВУХРОТОРНЫЕ  ВАКУУМНЫЕ  НАСОСЫ

 

Двухроторные вакуумные насосы в зависимости от характера процесса сжатия разделяют на две группы: насосы с внешним сжатием и насосы с частичным внутренним сжатием (BНЧС).

 

4.1. ВАКУУМНЫЕ   НАСОСЫ С  ВНЕШНИМ  СЖАТИЕМ

 

Двухроторные  вакуумные  насосы  предназначены  для  откачивания  воздуха  и  газов,  не  вступающих  в  реакцию  с  материалами,  из  которых  изготовлены  детали  вакуумных  насосов,  и  применяемыми  в  них маслами.

В двухроторных вакуумных насосах (рис. 4.1) в овальном корпусе 1 навстречу один другому вращаются два ротора 2 и 5. Роторы выполняют с двумя (рис. 4.1, в) или тремя (рис. 4.1, б) прямыми или винтовыми (спиральными) (рис. 4.2) лопастями. Угол закрутки лопастей не превышает 18Сг. Углом χ закрутки лопасти называют угол, на который повернут вокруг продольной оси ротора один торец относительно другого.

 

 

Рис. 4.1. Схемы  двухроторных  вакуумных  насосов

 

Синхронное вращение роторов и зазор между ними обеспечиваются синхронизирующими шестернями, которые смонтированы на валах роторов. Между роторами, а также роторами и корпусом в рабочем состоянии сохраняются зазоры, отчего в рабочую полость сжатия газа смазочный материал не подается.

 

 

 

Рис. 4.2. Винтовой  ротор  двухроторного  вакуумного  насоса

 

Рассмотрим откачивание  газа на примере насоса с двухлопастными роторами. Пусть в данный момент роторы находятся в положении, показанном на рис. 4.3, а. Полость I отсоединена от окна всасывания, но еще не соединена с окном нагнетания. В следующий момент (рис. 4.3, б) полость I соединяется с окном нагнетания, и газ под давлением нагнетания поступает в полость I. Процесс натекания газа из полости нагнетания в полость I продолжается до тех пор, пока давление в полости I не станет равным давлению нагнетания. После выравнивания давлений газ из полости I начнет подаваться в полость нагнетания смеете с газом, который находится в полости II (рис. 4.3, в). При повороте роторов на угол 90° (рис. 4.3, г) газ из полости I роторами продолжает вытесняться в нагнетательную полость, процесс освобождения полости II от газа заканчивается, а между ротором 2 и корпусом 1 образуется полость III, процессы в которой начнут происходить в той же последовательности, что и в полости I с момента, соответствующего положению рис. 4.3, а. В моменты, соответствующие  положениям на рис. 4.3, д и 4.3, е газ из полости I продолжает подаваться в нагнетательное окно, а в момент, соответствующий повороту роторов на 180^о, процесс вытеснения газа из полости I заканчивается. Далее процесс повторяется, начиная с положения рис. 4.3, а, но место полости I займет полость IV, полости III – полость II, полости II – полость III, полости IV – полость I.

 

Рис. 4.3. Принципиальная  схема  действия  двухроторного  вакуумного  насоса

 

Таким образом, за один оборот каждого ротора в нагнетательную полость ротором 2 подается газ из полостей II и III, а ротором 3 — газ из полостей I и IV. В двух ротор ном вакуумном насосе только в полостях, соединенных с нагнетательным патрубком, газ сжимается и подается в нагнетательный патрубок. Такой процесс сжатия называют внешним сжатием.

Процесс внешнего сжатия менее экономичен по сравнению с  процессами с внутренним сжатием, поэтому  двухроторные вакуумные насосы применяют, как правило, в области давлений всасывания 1,33 ... 133 Па. Получению в данных вакуумных насосах более высокого вакуума препятствуют относительно большие перетекания газа из полости нагнетания в полость всасывании вследствие наличия зазоров между роторами и между роторами и корпусом. При применении двухроторных вакуумных насосов в областях давлений, близких к 100 кПа, отношение  давления нагнетания р_н к давлению 
всасывания р в них сравнительно небольшое (1,2 ... 1,5) также вследствие наличия больших перетеканий из полости нагнетания в полость всасывания. 
Полная уравновешенность и хорошая динамическая балансировка роторов обеспечивают достижение высокой частоты  вращения роторов, что приводит к большой быстроте действия при сравнительно малых размерах. Кроме того, отсутствие трения между роторами, простота конструкции и технологической обработки роторов привели к широкому использованию двухроторных вакуумных насосов в промышленности. Двухроторные вакуумные насосы работают вместе с форвакуумными, в качестве которых используют плунжерные, пластинчато-роторные, жидкостно-кольцевые или поршневые вакуумные насосы. Двухроторные вакуумные насосы, выпускаемые с быстротой действия от 0,0015 до 10 м³/с, создают остаточное давление до 0,5 Па.

 

4.2  ВАКУУМНЫЕ  НАСОСЫ   С  ЧАСТИЧНЫМ  ВНУТРЕННИМ  СЖАТИЕМ

 

Вакуумные насосы с внутренним сжатием (поршневые, пластинчато-роторные, винтовые и др.) отличаются более совершенным рабочим процессом и, следовательно, более экономичны по  сравнению с вакуумными насосами с внешним сжатием (например, двухроторными вакуумными насосами), у которых повышение давления происходит в нагнетательном патрубке вследствие непрерывного переноса газа со стороны всасывании.

Вакуумные насосы с частичным  внутренним сжатием (ВНЧС) по принципу действия занимают промежуточное положение между вакуумными насосами с внутренним и внешним сжатием. Основные достоинства ВНЧС – быстроходность, надежность работы, полная уравновешенность, отсутствие клапанов, простота конструкции, обеспечение безмасляного откачивания газа, относительная простота изготовления основных рабочих органов – прямозубых роторов. ВНЧС работают в эксгаустерном, вакуумном и вакуум-компрессорном режимах. При работе в вакуумном режиме эти насосы можно использовать как отдельную ступень многоступенчатой вакуумной установки. К недостаткам этих насосов по сравнению с вакуумными насосами с внутренним сжатием следует отнести: высокий уровень шума при работе, относительно большие внутренние перетекания газа через зазоры, нерегулируемость фаз газораспределении, более высокую удельную мощность. Быстрота действия вакуумных насосов с внутренним сжатием не превышает 0,2 м³/с. а отношение давлений, создаваемых в одной ступени, составляет 2,5 ... 3 при нагнетании в атмосферу к ~8...10 в вакуумном режиме.

ВНЧС относится к  насосам объемного типа. Конструктивная схема такого насоса представлена на рис. 4.4, а. В корпусе 2 вращаются два ротора – ведущий 10 и ведомый 9. При эпициклоидально-круговом профилировании ведущий ротор имеет форму цилиндра радиуса R с двумя или несколькими цилиндрическими выступами радиуса r, центры которых расположены на окружности радиуса R (рис. 4.4, б). Основание боковой поверхности цилиндрических выступов корригируют для получения постоянного бокового зазора в зацеплении роторов. Ведомый ротор представляет собой цилиндр радиуса R с двумя или несколькими цилиндрическими впадинами радиуса г, центры которых лежат на продолжении цилиндрической поверхности ведомого ротора. Боковые зазоры в зацеплении роторов обеспечиваются синхронизирующими  шестернями 8 (рис. 4.4, а). Торцы корпуса закрыты крышками 1 и 3, в которых расположены радиально-упорные подшипники 6, радиальные подшипники 5, а также уплотнения валов 4. Между роторами и корпусом, а также между роторами и торцовыми крышками имеются зазоры, исключающие соприкосновение рабочих деталей и, следовательно, подачу смазочного материала в рабочую полость насоса. Уплотнен вал сальником 7. При вращении роторов газ поступает в рабочую полость насоса и делится на два потока. Большая его часть захватывается ведущим ротором и сжимается внутри насоса вследствие уменьшении объема рабочей полости, как в вакуумных насосах с внутренним сжатием. Другая, меньшая часть газа, переносится полостями ведомого ротора из всасывающего окна в нагнетательное окно без внутреннего сжатия, как в вакуумных насосах с внешним сжатием. Далее в полости нагнетания эти два газовых потока смешиваются, и сжатый газ поступает в нагнетательный трубопровод. Таким образом, частичное внутреннее сжатие газа в насосах данного чипа обусловлено специальной формой выступов и впадин роторов и расположением кромок нагнетательного окна только на расточке под ведомый ротор. Роторы, помимо подачи газа, выполняют функции органов газораспределения.

 

Рис. 4.4. Конструктивная  схема  насоса  ВНЧС

 

 

5. ЖИДКОСТНО-КОЛЬЦЕВЫЕ  ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ

 

Жидкостно-кольцевые вакуумные насосы (ЖКВН) применяют в химической, целлюлозно-бумажной, горнодобывающей, текстильной, пищевой, металлургической и других отраслях промышленности.

Насосы отличаются простотой  конструкции, надежностью в эксплуатации, низким уровнем шума. Протекание процесса сжатия в них с интенсивным теплообменом позволяет откачивать легко разлагающиеся, полимеризующиеся, воспламеняющиеся и взрывоопасные газы и смеси, а также откачивать газы, содержащие пары, капельную жидкость и даже твердые инородные включения. Соответствующий подбор рабочей жидкости обеспечивает откачивание агрессивных газов (например, для перекачивания хлора используют серную кислоту) и не загрязняет откачиваемые газы и объемы парами масел. Недостатками ЖКВН являются высокие затраты мощности на вращение жидкостного кольца и, как следствие, относительно низкий КПД; высокое предельное остаточное давление 2,66 ... 9.31 кПа для одноступенчатых вакуумных насосов и 0,133... 0,665 кПа для двухступенчатых; невысокая окружная скорость на периферии рабочих колес, что приводит к увеличению размеров.

В СССР ЖКВН выпускают  производительностью от 0,0125 до 5 м³/с на давления всасывания 40, 30 и 20 кПа.

ЖКВН различают по числу рабочих циклов, по типу подвода  и отвода газа, по используемой в кольце жидкости.

По числу рабочих  циклов эти насосы разделяют на насосы простого (рис. 5.1, а) и двойного (рис. 5.1, б) действия. В насосе простого действия рабочее колесо 1, состоящее из ступицы и лопаток, отлитых как одно целое, эксцентрично расположено в цилиндрическом корпусе 2. Рабочая жидкость заливается в корпус до оси колеса. При вращении колеса жидкость центробежной силой отбрасывается к корпусу 2 и между ступицей колеса 1 и внутренней поверхностью жидкостного кольца 3 образуется, серпообразная полость, которая лопатками делится на отдельные рабочие ячейки. От сечения

Рис. 5.1. Насос  простого  (а)  и  двойного  (б)  действия

 

I-I (рис. 5.1, а) до сечения II-II в направлении вращения колеса объем рабочих ячеек увеличивается и в них через всасывающее окно А поступает откачиваемый газ. Отсечения II-II до  сечения III-III объем рабочих ячеек уменьшается, и, так как они не соединены ни со всасывающим, ни с нагнетательными окнами, газ в них сжимается. Когда рабочие ячейки проходят мимо нагнетательного окна В, газ из них поступает в нагнетательное окно вследствие уменьшения объема рабочих ячеек. Часть газа, оставшаяся в ячейке, возвращается через зазор С на всасывание, где он расширяется до давления всасывания и занимает часть объема рабочих ячеек, что приводит к уменьшению производительности насоса.