Пароструйная откачка
Пароструйная откачка
При пароструйной откачке (рис. 4.30) молекулы откачиваемого газа, поступающие в насос через входной патрубок 1, взаимодействуют со струей пара, имеющей звуковую или сверхзвуковую скорость, и приобретают дополнительную скорость в направлении насоса предварительного разрежения, присоединяемого к выходному патрубку 6.
В камере 3 происходит смешение паровой струи, выходящей из сопла 2, и откачиваемого газа. Запирающий канал 4 создает сопротивление обратному потоку газа, обеспечивая коэффициент компрессии насоса. Разделение откачиваемого газа и рабочего пара осуществляется в камере 5 в процессе конденсации рабочего пара на охлажденных поверхностях, после чего откачиваемый газ выходит из насоса через выходной патрубок, а сконденсировавшийся пар поступает по трубопроводу 7 в кипятильник 8, где вновь испаряется и по паропроводу 9 попадает в рабочее сопло 2, обеспечивая непрерывность процесса откачки.
Взаимодействие откачиваемого газа с паровой струей зависит от степени вакуума. При низком вакууме молекулы, находящиеся в пограничном с паровой струей слое, за счет внутренйего трения увлекают другие слои газа. Такие насосы называют эжекторными.
В области высокого вакуума все молекулы откачиваемого газа, перемещаясь за счет самодиффузии, непосредственно взаимодействуют с движущейся струей пара, а насосы, работающие в таких условиях, называют диффузионными.
Рассмотрим принцип действия эжекторного насоса.
Быстрота действия насоса при заданных значениях давлений на входе в насос р2 и на выходе из насоса р5, а также производительности рабочего пара Gi определяется по /5э-диаграмме рабочего пара.
Кривая АВ на рис. 4.31, а определяет давление насыщенного пара рабочей жидкости. Из начального состояния в кипятильнике (точка 1 на кривой АВ, давление pi, сечение / на схеме сопла) рабочий пар адиабатически расширяется и переходит в состояние (точка 2), соответствующее давлению pz струи рабочего пара в откачиваемом объ-
екте (сечение 2). Адиабатические процессы на /5э-диаграмме соответствуют прямым линиям, параллельным оси /. Закон сохранения энергии для адиабатического истечения газа, при котором работа расширения газа равна приращению его кинетической энергии, можно записать в виде
где соя — скорость паровой струи на выходе из сопла в сечении 2. Откачиваемый газ (для простоты считаем, что откачиваются пары рабочей жидкости) находится в состоянии, соответствующем точке и сечению 3. Смешение потока откачиваемого газа Сг с паровой струей по закону сохранения энергии приведет к изменению скорости:
где а>4 — скорость смеси в сечении 4 (рис. 4.31, б).
В диффузоре, расположенном между сечениями 4 и 5, парогазовая смесь адиабатически сжимается до давления р5, причем точка 5, соответствующая сечению 5, должна лежать на кривой АВ. Это можно использовать для нахождения точки 4 графическим построением. В процессе адиабатического сжатия кинетическая энергия струи переходит в энтальпию, что позволяет записать
гДе Ц и Л — энтальпии в точках -4 и 5.
Из уравнений (4.31)…(4.33) можно найти выражение для теоретической быстроты действия насоса:
где р2 — плотность газа в сечении 2; Л и /2 — энтальпии в точках 1 и 2. Быстрота действия насоса зависит от производительности сопла и свойств рабочего пара, В эжекторных насосах она лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольких тысяч литров в секунду.
Максимальное выпускное давление не может быть больше р — давления рабочего пара в кипятильнике насоса, поэтому в случае паромасляного насоса оно не превышает (1… 5) • 102 Па, а для парортутного—(20… 40) • 102 Па. Увеличить максимальное выпускное давление паромасляного насоса нельзя, так как температура пара в кипятильнике ограничивается температурой разложения масла. В парортутных насосах возможно повышение максимального выпускного давления до атмосферного, но из-за больших потерь и токсичности ртути этого обычно не делают.
Предельным остаточным давлением эжекторного насоса является давление перехода из среднего в высокий вакуум, когда происходит расширение паровой струи и нарушение оптимального режима работы. Значение предельного давления составляет 10~1… 10~2 Па.
Размеры сопла можно найти, задаваясь значением его производительности Gi по рабочему пару. Подставляя критическое отношение давлений
Выходное сечение сверхзвукового сопла А2е можно найти из уравнения (4.31) с учетом того, что a>2—piV2/A2c (У2 — удельный объем пара на выходе из сопла) :
При истечении струи пара в высокий вакуум происходит ее расширение за счет тепловых скоростей молекул. При равенстве ско-
в (3.46), получим выражение для максимальной производительности сопла
где р—-давление пара в кипятильнике; Vj—удельный объем пара в кипятильнике; Лспцп— минимальное сечение сопла.
Из (4.35) можно найти минимальное сечение сопла:
рости истечения струи и скорости звука струя выходит из сопла под углом 45° к его оси (рис. 4.32). Давление пара в струе значительно больше, чем давление откачиваемого газа. Наилуч-шие условия для захвата молекул откачиваемого газа обеспечиваются тогда, когда давление пара в струе соответствует среднему вакууму. При этом все молекулы откачиваемого газа проникают в паровую струю при первом соударении. При большей плотности паровой струи вероятность захвата молекул снижается.
Теоретическая быстрота действия диффузионного насоса в связи с малым количеством откачиваемого газа определяется не изменением термодинамических характеристик паровой струи, как в эжекторном насосе, а геометрическими размерами сопла и парциальным давлением откачиваемого газа в паровой струе: где А — проекция поверхности паровой струи, доступной для молекул откачиваемого газа, на плоскость, перпендикулярную оси х; Nqi и Nq2 — количество молекул откачиваемого газа, ударяющихся и вылетающих в единицу времени с единицы площади А; п — концентрация газа у входа в насос.
В соответствии с выражениями для Nq из (1.13) и иар из (1.18) формулу для быстроты действия насоса (4.37) можно переписать: здесь Т и Тг — температура газа в паровой струе и у входа в насос; «г — концентрация газа в паровой струе.
Так как nrln—pmlp, то
Таким образом, быстрота действия диффузионного насоса зависит от температуры и рода газа, при этом тяжелые молекулы откачиваются с меньшей быстротой действия. Реальная быстрота действия оказывается меньше теоретического значения, рассчитанного из (4.39), из-за неполного захвата молекул откачиваемого газа паровой струей. Это связано с наличием у струи «паровой опушки», появляющейся в результате потока молекул пара, имеющих тепловые скорости больше, чем скорость паровой струи.
Таким образом, коэффициент компрессии для заданной геометрии струи определяется отношением проекции скорости паровой струи на ось х к коэффициенту диффузии откачиваемого газа в паровой струе. Для увеличения коэффициента компрессии необходимо повышать скорость паровой струи и увеличивать ее плотность, так как коэффициент диффузии D обратно пропорционален плотности паровой струи.
Если ввести коэффициент захвата струи Но, то выражение для расчета быстроты действия может быть записано в следующем виле:
Среднее значение коэффициента захвата Яо~О,3.
Для определения коэффициента компрессии и предельного давления рассмотрим более подробно процессы, происходящие в паровой струе диффузионного насоса. Концентрацию газа в точке х паровой струи обозначим пг(х) (рис. 4.32), а составляющую скорости паровой струи по направлению оси х — через W.
Производительность откачки равна разности прямого и обратного потоков:
газа в струе пара. Прямой поток молекул откачиваемого газа в диффузионном насосе движется за счет соударений молекул газа и пара совместно с паровой струей, а обратный возникает за счет теплового движения молекул, диффундирующих в противоположном направлении. Если достигнуто предельное давление, то Q = 0, откуда
Считая, что газ в струе пара подчиняется уравнению газового состояния, получим
Проинтегрировав выражение (4.41) с учетом (4.42) в пределах от Xi до х2 и от до р2, имеем
Обозначая длину паровой струи b=(x2—-Xi), перепишем полученное выражение в виде
Рассмотрим конструкции пароструйных насосов. Схема эжекторного насоса показана на рис. 4.33. Насос состоит из кипятильника 1, сверхзвукового эжекторного сопла Лаваля 2, камеры смешения 5, впускного и выпускного фланцев 3 и 4. Камера смешения теплоизолирована от корпуса насоса. На выпускном патрубке имеется холодильник 6, охлаждаемый проточной водой. Сконденсировавшийся на стенках холодильника пар стекает в кипятильник по трубке 7, обеспечивающей непрерывную циркуляцию рабочей жидкости в насосе.
Простейший диффузионный насос (рис. 4.34) состоит из кипятильника 1, диффузионного сопла 2, закрепленного на паропроводе 6, холодильника 4, впускного и выпускного патрубков 3 и 5. Пары рабочей жидкости из кипятильника проходят по паропроводу через зонтичное сопло и конденсируются на стенках насоса, охлаждаемых холодильником. За время движения пара от конца сопла до стенок насоса в струю пара диффундирует откачиваемый газ. После конденсации образовавшейся парогазовой смеси выделившийся газ откачивается через выпускной патрубок насосом предварительного разрежения, а сконденсированный пар стекает по стенкам насоса в кипятильник через зазор между паропроводом и корпусом насоса.
Влияние зазора а и угла наклона сопла а на предельное давление и быстроту действия диффузионных насосов показано на рис. 4,35, а, б.
При превышении зазором а своего оптимального значения а0 Уменьшается скорость струи у стенок насоса, что приводит к увеличению обратного потока. Аналогичная зависимость существует и от Угла а, который сильно влияет на осевую составляющую скорости струи.
Диффузионные насосы, предназначенные для работы в диапазоне давлений 10—1… 10 Па, называются бустерными. В этих насосах увеличена мощность подогревателя, применены термостойкие рабочие жидкости, что позволяет увеличить выпускное давление и сдвинуть характеристику насоса SH=f(p) в сторону более высоких давлений.
Основной характеристикой пароструйных насосов является зависимость быстроты действия от давления на входе в насос (рис. 4.36, а). В средней области рабочих давлений быстрота действия постоянна и равна Smax- При приближении рабочего давления к предельному рПр она стремится к нулю из-за наличия обратного потока газов и паров из насоса в откачиваемый объект. При увеличении рабочего давления за верхнюю границу молекулярного режима течения быстрота действия уменьшается в связи со снижением скорости диффузии молекул газа в струю пара и при максимальном входном давлении р3 стремится к нулю.
Предельное давление насоса рпр при низких давлениях на выходном патрубке рВых (рис. 4.36, б) слабо зависит от изменения последнего. Срыв характеристики насоса наступает при равенстве выпускного давления и давления паровой струи, соответствующего давлению ркр.
При увеличении мощности N подогрева насоса за счет увеличения скорости паровой струи быстрота действия вначале возрастает (рис. 4.36, в), достигает максимального значения при N0Jlt, а затем уменьшается из-за увеличения плотности паровой струи. Максимальное выпускное давление насоса ркр при увеличении мощности подогревателя непрерывно возрастает (рис. 4.36, г).