Как работают струйные насосы
Основой функционирования струйного насоса является откачивающее действие паровой струи. Процесс начинается с нагрева рабочей жидкости (вакуумного масла или ртути) в специальном кипятильнике. Образовавшийся пар поднимается по паропроводу и с высокой скоростью вырывается из сопла в рабочую камеру. Здесь струя захватывает откачиваемый газ, поступающий через впускной патрубок, и увлекает его к охлажденным стенкам камеры. Пар конденсируется, конденсат возвращается в кипятильник, а сжатый газ выбрасывается через выпускной патрубок для дальнейшей откачки форвакуумным насосом.
Механизм увлечения газа струей
В зависимости от рабочего давления, механизм взаимодействия струи с газом меняется. В механизме эжекторных насосов, работающих при высоких давлениях (10⁵–10 Па), требуется плотная струя, чтобы не разрушиться. При средних давлениях (10–10⁻¹ Па) увлечение газа происходит за счет вязкостного трения и частичной диффузии молекул газа в поверхностный слой струи — этот принцип используется в бустерных насосах. При низких давлениях (менее 10⁻² Па), когда длина свободного пробега молекул сравнима с размерами камеры, главную роль играет диффузия: молекулы газа, сталкиваясь с частицами пара, приобретают скорость в направлении движения струи. Именно на этом эффекте основана работа высоковакуумных диффузионных насосов.
Типы, конструкции и характеристики
Бустерные насосы (вспомогательные) наиболее эффективны в диапазоне 10–10⁻¹ Па, где механические насосы теряют производительность. Для создания плотной струи в них используют легколетучие масла, мощные нагреватели и сопла зонтичного типа. Последняя ступень часто выполняется как эжектор с диффузором для обеспечения высокого выпускного давления.
Диффузионные насосы предназначены для создания высокого и сверхвысокого вакуума (ниже 10⁻¹ Па). Их ключевая особенность — постоянная быстрота действия в рабочем диапазоне. Конструктивно они похожи на бустерные, но работают при меньшем давлении пара и требуют меньше энергии на нагрев. Выпускное давление у них ниже — порядка 10–40 Па.
Особенностью паромасляных диффузионных насосов является система фракционирования (разделения) масла. Тяжелые фракции с низким давлением пара направляются в сопло первой, высоковакуумной ступени, что обеспечивает низкое предельное давление и высокую производительность. Легкие фракции с высоким давлением пара идут в последнюю ступень, отвечая за высокое выпускное давление. Такие насосы называют фракционирующими или разгоночными.
Корпус обычно стальной с водяной рубашкой охлаждения, паропровод и сопла — алюминиевые. Фракционирование происходит с помощью лабиринтных колец, удлиняющих путь стекающего масла, что позволяет легким фракциям испариться раньше. Для улучшения обезгаживания масла нижнюю часть корпуса часто не охлаждают, а путь конденсата удлиняют винтовой канавкой. Современные насосы с улучшенным фракционированием могут достигать предельного давления около 10⁻⁶ Па даже на минеральном масле без азотной ловушки.
Ключевые параметры и их зависимость
Характеристики паромасляных насосов (быстрота действия, предельное и выпускное давление) определяются как конструкцией, так и типом рабочей жидкости. Существует пороговая мощность нагрева, ниже которой насос не запускается. С ростом мощности увеличивается плотность струи и, как следствие, выпускное давление. Предельное остаточное давление сначала снижается (из-за уменьшения противодиффузии газа), а затем может снова расти из-за разложения масла в перегретом кипятильнике. Быстрота действия имеет максимум, соответствующий оптимальной плотности струи.
Важной особенностью является зависимость характеристик от молекулярной массы откачиваемого газа. Легкие газы (водород, гелий) имеют больший коэффициент диффузии через струю, чем тяжелые (азот, аргон). Поэтому повышение выпускного давления водорода сразу ухудшает предельный вакуум, в то время как для азота этот эффект проявляется только при превышении критического значения.
Теоретическая быстрота действия определяется проводимостью входного сечения. Реальная же всегда меньше из-за отражения части молекул и противодиффузии газа. Коэффициент использования для воздуха обычно составляет 0.3–0.5. Производительность падает как при очень высоких давлениях (из-за нарушения работы струи), так и вблизи предельного вакуума (из-за заноса газа и противодиффузии).
Эксплуатация и аварийные ситуации
Для надежной работы струйных насосов необходимо строго соблюдать рекомендации по типу рабочей жидкости и порядку операций.
Стандартный запуск:
1. Откачать насос форвакуумным насосом.
2. Включить подачу охлаждающей воды.
3. Включить нагреватель (возможно временное повышение давления из-за дегазации масла).
4. После выхода на режим (через 30–60 минут) охладить азотную ловушку.
5. Медленно открыть затвор на входе в насос, убедившись, что давление в системе не превышает допустимого.
Остановка:
1. Закрыть входной затвор.
2. Разморозить азотную ловушку.
3. Выключить нагреватель.
4. Продолжать форвакуумную откачку и водяное охлаждение до полного остывания кипятильника.
Действия при авариях:
• Разгерметизация или прекращение охлаждения: немедленно закрыть входной затвор, отключить нагреватель, продолжить форвакуумную откачку.
• Остановка форвакуумного насоса: перекрыть форвакуумный кран и входной затвор, отключить нагреватель.
• Перегрев рабочей жидкости (например, при запуске без предварительной откачки): дать жидкости остыть, отключив нагрев, прежде чем возобновлять форвакуумную откачку. В противном случае возможно бурное вскипание и выброс масла.
Следует помнить, что интенсивная откачка больших потоков газа может приводить к выносу рабочей жидкости в форвакуумную магистраль. Для комплексной защиты откачиваемого объема от паров масла диффузионный насос часто объединяют с затвором, маслоотражателем и ловушкой в единый вакуумный агрегат.