Агрегаты различаются принципом действия, конструкцией, рабочими характеристиками и назначением. Оборудование используется во многих отраслях промышленности, сельском хозяйстве, при проведении лабораторных исследований.
Типы и виды вакуумных насосов
В работе вакуумных насосов реализуется один из двух принципов:
- перекачивание среды;
- улавливание газа.
Применяются в следующих областях: монтаж и ремонт холодильного оборудования, молекулярная дистилляция, вакуумная фильтрация и концентрация.
Перекачивающие агрегаты подразделяются на кинетические и объемного действия. Работа первых базируется на передаче импульсной энергии молекулам перекачиваемой среды от вращающейся большой скоростью крыльчатки и выталкивании их в выходную трубу. Такая методика позволяет добиться сильного сжатия при небольшом давлении, но при этом камеры не обладают высокими показателями герметичности. В насосах объемного действия камеры герметичнее, а газ сдавливается поршневым механическим элементом, после чего отводится в выходное отверстие.
Работа улавливающих насосов основана на захвате частиц газа и удержании их внутри объема на поверхностях вакуумной камеры. Их конструкционное отличие состоит в отсутствии подвижных механических узлов. Здесь используются технологии криогенной конденсации, ионных или химических реакций.
Семейство вакуумных насосов включает широкий модельный ряд устройств различных по типу, конструкции и принципу работы.
В зависимости от технологии и механизма вакуумные насосы бывают:
- водокольцевые;
- поршневые;
- мембранные;
- пластинчато-роторные (масляные и сухие);
- двухроторные;
- спиральные;
- турбомолекулярные;
- магниторазрядные;
- криогенные;
- паромасляные;
- сорбционные.
По наличию масла в системе выделяют две группы: масляные и сухие.
Масляные агрегаты более надежны и производительны. Смазка повышает износостойкость трущихся деталей и повышает герметичность камеры, что способствует созданию повышенной разряженности в рабочей камере. Еще одним достоинством насосов этого типа является низкая чувствительность к отрицательным температурам.
Выбирайте лучшие мембранные насосы от «Вакпром»
Сухие используются преимущественно в ситуациях, когда даже минимальное загрязнение перекачиваемой среды масляными парами категорически недопустимо.
Основными рабочими характеристиками оборудования являются глубина вакуума и скорость откачки. Некоторые модели быстро откачивают рабочую среду, но не способны достичь максимальных показателей разряженности. Другие, напротив, обеспечивают высокий вакуум, но не отличаются быстродействием. Для конкретных операций подбираются определенные виды агрегатов.
В некоторых случаях для получения глубокого вакуума за определенное время необходимо сделать комбинацию устройств с различным принципом работы. При этом процесс разделяется на два этапа: сперва форвакуумным насосом создается предварительное разряжение, после чего задействуется основное оборудование. Существуют и готовые решения, в которых два агрегата собраны в едином корпусе.
Для создания низкого вакуума
Для получения среды с невысокой степенью разряженности (от 101 300 Па до 133, 3 Па) применяют различные модификации компрессоров и воздуходувок. Высокоскоростные агрегаты пригодны для использования в качестве форвакуумных насосов в системах глубокой откачки, но в основном такие модели, благодаря компактности и невысокой цене, находят применение в домашнем хозяйстве, мелких мастерских и цехах. Особняком стоят диафрагменные насосы. При невысоких показателях производительности и создаваемой разряженности, они способны работать с агрессивными газами и не загрязняют среду масляными испарениями. Как правило, эта разновидность оборудования используется в лабораториях.
Для создания среднего вакуума
Создание разряженности средней степени (от 133, 3 Па до 0, 1333 Па) возможно при использовании агрегатов пластинчато-роторного, двухроторного, кулачкового, спирального типов. Такие насосы оптимальны для использования в качестве форвакуумных на предварительной стадии глубокой откачки. Наибольшей популярностью пользуются пластинчато-роторные модели, сочетающие в себе сбалансированные показатели скорости и остаточного давления. Среди представителей этого класса есть как масляные насосы, так и сухие, обеспечивающие чистоту рабочей среды.
Для создания высокого вакуума
Получение высокого (от 0, 1 Па до 10 Па) и сверхвысокого (от 10-5 Па) вакуума чаще всего выполняется по схеме с двумя насосами. На первом этапе форвакуумная установка удаляет до 97% газов, затем создаются предельные показатели разряжения, для чего нужен вакуумный насос с высокими параметрами остаточного давления. В этих целях используются турбомолекулярные, диффузионные, криогенные, паромаслянные агрегаты. За исключением турбомолекулярных моделей, работающих на принципе центробежной силы, высоковакуумные насосы не имеют в своей конструкции подвижных механических деталей.
Преимущества вакуум насосов
В силу конструктивных особенностей и принципа работы различные виды вакуумных насосов имеет свои достоинства, что позволяет применять их в определенных условиях.
Водокольцевые обладают высокой прочностью и износостойкостью, неприхотливы в эксплуатации, выдерживают высокие температуры, способны откачивать загрязненные пары.
Пластинчато-роторные устойчивы к водяным парам, компактны, экономичны, имеют высокую скорость откачки.
Двухроторные обеспечивают чистоту сжимаемых газов и равномерность откачки, они сбалансированы, быстроходны, бесшумны.
Спиральные и мембранные с мембраной из каучука пригодны для работы с агрессивными средами.
Винтовые работают без масла и конденсаторов, характеризуются низким энергопотреблением.
Для чего подходят и где могут применяться
Технический вакуум, создаваемый насосами, применяется в различных сферах народного хозяйства.
- В нефтеперерабатывающей и химической промышленности для разделения смесей, дегазации нефтепродуктов, очистки трансформаторного масла.
- В металлургии для обеспечения материалам однородной структуры, литья тугоплавких металлов, термообработки.
- В фармацевтике при изготовлении медикаментозных препаратов.
- В пищевой промышленности при сублимационной сушке продуктов питания, в процессах консервирования, для откачки воздуха из упаковок для молока, соков, фруктов, мяса, рыбы.
- В производстве холодильного, климатического и иного оборудования с повышенными требованиями к отсутствию влаги для устранения кислорода, воды и водяных паров.
- В тормозных системах автомобилей для снижения усилий водителя при нажатии на педаль.
- На автоматических конвейерных линиях и подъемных механизмах в качестве захватывающего устройства в виде присосок.
- В производственных и научно-исследовательских лабораториях для создания чистой разряженной среды.
- В медицине для обеспечения операционных и стоматологических кабинетов, при эксплуатации дыхательных аппаратов.
- В типографии и полиграфии для прижима листов, фиксации термопленок.
- В животноводстве для оснащения помпами доильных аппаратов.
Современные агрегаты имеют небольшие габариты и способны за короткое время обеспечивать необходимую степень разряженности.
Вакуумный насос
По принципу действия вакуумные насосы делятся на механические, струйные, сорбционные и криогенные.
1) Механические вакуумные насосы, в свою очередь, делятся на вращательные, двухроторные и турбомолекулярные.
Среди вращательных вакуумных насосов наибольшее распространение получил пластинчато-роторный насос с масляным уплотнением. Всасывание и выталкивание газа в таком вакуумном насосе осуществляются при изменении объёмов ячеек, образованных эксцентрично расположенным ротором , в прорезях которого помещены подвижные пластины. Уплотнение зазоров между деталями вакуумного насоса, а также частичное их охлаждение обеспечиваются вакуумным маслом.
Вращательные вакуумные насосы обеспечивают получение вакуума до 10–10 –1 Па и применяются главным образом как форвакуумные (для создания предварительного разрежения). Быстрота откачки до 750 л/с.
1) состоит из двух фигурных роторов, которые при вращении создают в камере насоса направленное движение газа. Такие вакуумные насосы обладают достаточно большой быстротой откачки (до 15 м 3 /с) и часто применяются как промежуточные (вспомогательные, или бустерные ) между форвакуумными и высоковакуумными насосами.
В турбомолекулярном вакуумном насосе создаётся преимущественное движение молекул газа в направлении его откачки при вращении ротора, состоящего из системы дисков (рис. 2). Использование таких вакуумных насосов позволяет получать предельное разрежение до 10 –7 Па при практически безмасляной остаточной атмосфере.
2) Пароструйные вакуумные насосы разделяются на диффузионные (высоковакуумные) и бустерные. Действие основано на захвате частиц откачиваемого газа струёй пара. В таких насосах пар образуется в результате нагрева рабочей жидкости (обычно вакуумного масла) в кипятильнике, который расположен в нижней части вакуумного насоса.
Диффузионные вакуумные насосы предназначены для получения остаточного давления до 10 –5 Па и ниже при быстроте откачки до нескольких сотен м 3 /с. Бустерные насосы эффективны в диапазоне давлений 10–10 –1 Па, что обусловлено высокой мощностью подогревателей, а также использованием летучих масел.
3) В сорбционных вакуумных насосах используется способность некоторых веществ [например, титан (Ti), молибден (Mo)] поглощать газ. Внутреннюю поверхность камеры таких насосов покрывают либо плёнкой химически активного металла (геттерный вакуумный насос), либо слоем пористого вещества (адсорбционный вакуумный насос). Для удаления инертных газов , которые практически не поглощаются плёнками металлов , применяют в основном ионно-геттерные насосы.
Рис. 3. Общий вид магниторазрядного вакуумного насоса. Рис. 3. Общий вид магниторазрядного вакуумного насоса.
Наибольшее распространение получили магниторазрядные насосы, в которых сорбционный способ поглощения химически активных газов сочетается с ионным способом откачки инертных газов и углеводорода , их ионизацией сильным электрическим разрядом и удалением ионизированных молекул магнитным полем (рис. 3).
В таком вакуумном насосе анод представляет собой набор ячеек, на которых осаждается геттер [обычно титан (Ti)], распыляемый с катодов . В магниторазрядном вакуумном насосе газовый разряд в диапазоне рабочих давлений 10 –1 –10 –8 Па поддерживается магнитным полем с напряжённостью порядка 10 4 –10 5 А/м.
В сорбционных вакуумных насосах быстрота откачки зависит от того, какой газ откачивается. Например, быстрота откачки водорода 5 тыс. л/с, азота – 2 тыс. л/с, аргона – 50 л/с.
4) Действие криогенных вакуумных насосов основано на поглощении газа поверхностью, охлаждённой до низкой (ниже 120 К) температуры.
Различают криогенные (конденсационные) вакуумные насосы:
- заливного типа – содержит ёмкость, заполненную хладагентом (обычно водородом), и защитную ёмкость, заполненную жидким азотом (т. н. азотный экран), на поверхности которых конденсируются молекулы откачиваемого газа;
- с автономным холодильным устройством – содержит газовую холодильную машину обычно с температурными уровнями от 70 до 100 К (рис. 4). Для получения сверхвысокого вакуума применяются криосорбционные вакуумные насосы, которые представляют собой криогенные насосы с тонкой плёнкой сорбента на внутренней поверхности камеры.
Рис. 4. Схема (а) и общий вид (б) криогенного вакуумного насоса с автономным холодильным устройством. Рис. 4. Схема (а) и общий вид (б) криогенного вакуумного насоса с автономным холодильным устройством.
Для создания вакуума в различных технологических установках и электровакуумных приборах вакуумные насосы обычно используют в составе вакуумных агрегатов, конструктивно объединяющих в единое целое вакуумные насосы, вакуумные клапаны , ловушки, реле , трубопроводы и другие устройства.
Первый (механический) насос для получения вакуума создал около 1650 г. О. фон Герике , применивший его в своих опытах (в том числе с «магдебургскими полушариями») для доказательства существования атмосферного давления . Изготовление ламп накаливания в конце 1870-х гг. обусловило дальнейшее развитие вакуумной техники и совершенствование вакуумных насосов. В 1905 г. немецкий учёный В. Геде впервые применил вращательный ртутный насос, в 1913 г. создал первый молекулярный насос, в 1915 г. опубликовал отчёт о диффузионном насосе. Конденсационный парортутный насос изобретён И. Ленгмюром в 1916 г. Первый турбомолекулярный насос создан немецким учёным В. Беккером в 1957 г.