Вакуумные насосы

Вакуумный насос – аппарат, главной функцией которого является снижение давления газообразного вещества до определенного уровня. Начиная с 19 столетия, концепция такого механизма постоянно совершенствовалась, и в наш век технологического процесса вакуумный насос является незаменимым помощником на многих производствах (электроника, сталеплавильная, химическая промышленность). Даже для бытовых нужд используются примитивные вакуумные насосы.

Принцип действия вакуумного насоса

В первые секунды работы газ или пар продвигаются турбулентно, с высокой скоростью. Через некоторое время поток становится плавным, определяющую роль в выводе газа начинает играть инерция. При достижении минимальной скорости наступает этап вязкостного режима.

Исходя из принципа действия всех вакуумных механизмов, можно определить их важнейшие характеристики.

1. Минимальное давление для работы насоса. При таком давлении аппарат еще поддерживает высокую скорость откачки газа, производительность не снижается.
2. Максимальное давление для работы насоса. Это наибольший уровень давления, при котором скорость откачки также еще высока, производительность не снижена.
3. Предельно допустимое давление насоса. Это самый низкий уровень давления, который может поддерживать насос без газообразного вещества. Производительность в промежутке от предельного до наименьшего давления экономически не выгодно и сокращает срок эксплуатации агрегата.

Давление запуска вакуумного насоса РЗ - максимальное давление во входном сечении насоса, при котором он может начать работу. Давление запуска обычно заметно превышает наибольшее рабочее давление. Для некоторых типов насосов, к примеру, магниторазрядных, это различие может достигать 2-3 порядков.

Насосы, работающие по принципу создания вакуума, делятся на несколько категорий. В зависимости от характера движения газа в корпусе насоса различают:

1.Механические

- 1.1. Объемные

- 1.1.1. Ротационные (пластинчатые, двухроторные)

- 1.1.2. Водокольцевые

-1.2. Молекулярные

2.Сорбционные

3.Ионные

4.Криогенные

Насосы первого типа наиболее распространены. В них газ движется под вытесняющей силой механических частей. Это может быть поршень, вращающийся механизм или ячейки, попеременно закрывающиеся пластинами. Так, в водокольцевых насосах происходит вращательное движение лопастей . В результате газ вытесняется к стенкам камеры насоса, а в центральную, «пустую» часть, поступают новые порции газообразного вещества. Для такого аппарата необходим постоянный приток жидкости, так как за счет нее возникает вращение ротора и оттеснение газа к периферии. Чаще всего такие насосы используют для создания разреженного пространства в других насосных устройствах. Кроме того, благодаря подаче жидкости низкой температуры, можно использовать такие приборы для легковоспламеняющихся веществ.

Виды насосов

Пластинчато-роторные насосы работают по принципу разделения внутренней камеры на рабочие ячейки. При вращении ротора ячейки изменяют свой объем, происходит сжатие газообразного вещества и выведение его из насоса. Часто в подобных механизмах используются смазочные материалы.

Все механические насосы обладают высокой скоростью работы, неплохой производительностью, длительной гарантией. Но почти все аппараты, за исключением водокольцевых, быстро нагреваются.

Молекулярный насос по принципу своего действия похож на аппарат с вращающимися лопастями объемным принципом действия. Но в данном случае четкого разделения среды на области высокого и низкого давления не происходит. Мельчайшие частицы газа, соприкасаясь с поверхностью ротора, получают большое количество энергии и направляются от лопастей с высокой скоростью. Молекулярные насосы обладают меньшей производительностью, в отличии от насосов с механическим вытеснением газа. В связи с сложным техническим устройством такие аппараты обладают высокой стоимостью, поэтому разработки в усовершенствовании механизма продолжаются.

Сорбционный вакуумный насос обладает внутренней поверхностью с адсорбирующим веществом. Активированный уголь низких температур, который чаще всего используется в таких устройствах, притягивает к себе молекулы вещества. Чем больше давление в камере насоса, тем с большей интенсивностью происходит откачка. По мере наполнения сорбента удаляемым веществом производительность насоса снижается. Поэтому периодически необходимо повышать температуру адсорбирующего вещества и удалять избыток газа другим насосом. Для повышения срока службы вакуумного насоса активированный уголь чаще заменяют алюмосиликаты бария, натрия и кальция, обладающие способностью накапливать большие объемы газа, в связи с чем нагревание и откачка используются реже. Состав адсорбирующего вещества также зависит от вида газа, который требуется откачать.

Ионные насосы вырабатывают электрический заряд, который производит ионизацию молекул газа. Такие ионы выводятся за счет притягивания к электромагнитному полю. Способ низкоэффективный и требует больших расходов для поддержания работы. Поэтому ионный механизм часто объединяют с сорбционным, в результате чего производительность вакуумного насоса увеличивается.

Криогенные насосы работают за счет замораживания газообразного вещества. В твердом состоянии газ обладает меньшим давлением, в результате чего появляется возможность создать разреженное пространство. Криогенные аппараты обладают высокой скоростью (после достижения необходимой температуры), простотой в эксплуатации и, что очень важно, высокой экологичностью.

Выбор насоса зависит от:

• Типа производства. Для изготовления деталей для телевизора и при работе в области ядерной физики используются разные газы, поэтому и требования к вакуумным механизмам отличаются.
• Необходимой скорости откачки. При высокой скорости выведения газообразных веществ увеличиваются соответственно и энергозатраты, снижается срок эксплуатации насоса.
• Требований к экологичности аппарата
• Возможности поддерживать определенный уровень давления на входе и выходе из камеры насоса

По характеру разреженного пространства все насосы разделяют на форвакуумные и высоковакуумные. Форвакуумные насосы создают пространство с низким разрежением, поэтому их используют для оптимизации работы высоковакуумных аппаратов. Например, газ из высоковакуумного сорбционного насоса при наполнении сорбента откачивают с помощью форвакуумного ротационного насоса.

При выборе насоса для определенного вида производства руководствуются двумя главными характеристиками.

1. Скорость, с которой производится откачка газа. Она высчитывается по объему газообразного вещества, выходящего через выпускник за определенный промежуток времени. Зависит эта скорость от давления во внутренней камере насоса
2. Максимальное выпускное давление. В работе любого насоса есть предел давления на выходе из камеры, за границами которого производительность резко снижается. Это происходит в связи с увеличением уровня давления на входе в камеру насоса.

При работе со всеми типами вакуумных насосов требуется предельное внимание. Такие механизмы в разной степени обладают высокой скоростью нагрева, поэтому требуют постоянного охлаждения. Особую технику безопасности необходимо соблюдать при работе с взрывоопасными, легковоспламеняющимися и ядовитыми веществами.