Диффузионные насосы применяют для откачки различных вакуумных систем до остаточных давлений 10 — 10 6 Па и ниже. При таких давлениях длина свободного пути молекул откачиваемого газа практически всегда больше диаметра впускного отверстия насоса, и поэтому в нем всегда возникает молекулярный режим течения газа. Молекулы газа при тепловом движении через впускное отверстие насоса направляются к паровой струе.
Механизм увеличения газа в диффузионных насосах обусловлен диффузионными процессами. Вследствие разности концентраций газа над паровой струей и в самой струе (концентрация газа в струе вблизи сопла достаточно мала) происходит диффузия газа в струю. Попав в струю, молекулы газа получают импульсы от молекул пара в направлении парового потока и уносятся вместе со струей к стенке корпуса насоса; пар конденсируется на охлаждаемой стенке, а газ, сжатый в струе до выпускного давления ступени, перетекает вдоль стенки в пространство над следующей ступенью насоса. Наряду с прямой диффузией газа всегда существует и обратная диффузия в струю со стороны форвакуума. Однако в этом случае молекулы газа, движущиеся в обратном направлении, сталкиваются с движущимися им навстречу молекулами пара и оттесняются обратно; лишь небольшая часть молекул может продиффундировать через струю в обратном направлении.
Число молекул газа, диффундирующих через струю в обратном направлении при оптимальном режиме работы насоса, несоизмеримо мало по сравнению с числом молекул газа, диффундирующих в струю со стороны впускного отверстия насоса. Однако в некоторых случаях, например при откачке легких газов насосом, режим работы которого выбран оптимальным для откачки воздуха, влияние обратной диффузии может заметно сказываться на характеристиках насоса.
Устройство насосов.
Диффузионные насосы подобно бустерным являются многоступенчатыми системами с соплами обращенного зонтичного типа. В зависимости от рода рабочей жидкости, используемой в насосе, современные диффузионные насосы подразделяют на паромасляные и парортутные.
В паромасляных насосах используют различные рабочие жидкости органического происхождения с низким давлением пара при нормальной температуре. Как правило, эти жидкости представляют собой смесь фракций с различным давлением пара и различной молярной массой.
В связи с этим следует отметить, что требования к рабочей жидкости паромасляных насосов, обеспечивающие наиболее благоприятные условия работы отдельных ступеней, различны. Так, для работы первой (входной) ступени, определяющей предельное остаточное давление и быстроту действия насоса, нужна рабочая жидкость с низким давлением пара при нормальной температуре (для получения низкого остаточного давления) и с высоким давлением пара при рабочей температуре в кипятильнике (в связи с необходимостью создания паровой струи малой плотности для обеспечения большой скорости диффузии газа в струю). Для последней (выходной) ступени, определяющей наибольшее выпускное давление насоса, давление пара при нормальной температуре несущественно, давление пара при рабочей температуре кипятильника должно быть, по возможности, большим для получения струи высокой плотности.
С учетом этого в конструкциях современных паромасляных диффузионных насосов предусматривают осуществление фракционирования (разделения на фракции) рабочей жидкости в самом насосе. При этом тяжелые фракции с малым давлением пара направляются к первой ступени, а легкие фракции с большим давлением пара — к последней ступени. Такие насосы называют фракционирующими. Первые две ступени насоса — зонтичного типа, третья ступень эжекторная.
Для фракционирования рабочей жидкости в насосе разделены трубы, подводящие пар к ступеням, и на днище насоса установлен специальный лабиринт, образуемый фракционирующими кольцами. Конденсат масла, стекающий по стенке корпуса насоса в кипятильник, попадает через прорези в нижней части внешней пароподводящей трубы в пространство между внешней и внутренними трубами; проходя по лабиринту во фракционирующем устройстве, рабочая жидкость испаряется, обедняясь по мере движения к внутренней трубе легкими фракциями с высоким давлением пара.
Утяжеленная часть рабочей жидкости, состоящая из фракций с низким давлением пара, поступает во внутреннюю трубу и направляется к первой, высоковакуумной ступени, а легкие фракции поступают во вторую и эжекторную ступени. Корпус насоса и маслоотражатель охлаждаются водой, В ряде случаев, например в передвижных установках, насосы с водяным охлаждением применять неудобно, тогда применяют насосы с принудительным воздушным охлаждением. Насос охлаждается вентилятором, установленным на корпусе; для более эффективного охлаждения на корпусе насоса предусмотрены ребра.
Основными конструкционными материалами таких насосов являются алюминий (детали паропровода, сопла) и низкоуглеродистая или коррозионностойкая сталь (корпус). Парортутные насосы характеризуются особыми качествами, что обусловлено свойствами ртути как рабочей жидкости.
Во-первых, ртуть является однородной жидкостью, не изменяющей состава в кипятильнике насоса; поэтому в парортутных насосах отсутствуют фракционирующие устройства и все ступени насоса питаются паром одного состава.
Во-вторых, ртуть химически активна, что обусловливает выбор конструкционных материалов насоса.
Парортутные насосы обычно изготовляют из стекла или коррозионно-стойкой стали. Один из наиболее распространенных, применяемых главным образом в лабораторных условиях, парортутных насосов — одноступенчатый стеклянный насос. Устройство насоса очень простое. Сопло из соображений простоты — цилиндрическое. Такие насосы с различными размерами и характеристиками обычно изготовляют сами потребители. Конфузор последней инжекторной ступени служит одновременно патрубком, соединяющим насос с выходной дисковой ловушкой. В связи с тем, что давление пара ртути при нормальной температуре велико (0,1 Па), для получения высокого вакуума в откачиваемом сосуде между парортутным насосом и сосудом необходимо устанавливать охлаждаемую до низкой температуры ловушку.
При использовании охлаждаемой жидким азотом ловушки парортутный насос позволяет получить в хорошо обезгазенной при 723 К системе предельное остаточное давление 10 10 Па. Токсичность паров (необходимо оборудовать специальные помещения для работы с ртутью и соблюдать меры предосторожности, исключающие повышение концентрации паров ртути в рабочих помещениях). Ртуть, предназначенная для работы в насосах, должна быть хорошо очищена. Для высоковакуумных насосов применяют дистиллированную ртуть марок Р-1 и Р-2. Указанные недостатки ртути, в особенности токсичность паров, существенно ограничивают возможность ее использования в качестве рабочей жидкости в насосах.
Ртутные насосы используют, главным образом, для откачки систем, в которых пары ртути являются рабочей средой (ртутные выпрямители, лампы), и установках, в которых необходима высокая чистота рабочей среды (в масс-спектрометрах, сверхвысоковакуумных системах термоядерных установок и т. д.).
Высоковакуумные масла не имеют перечисленных недостатков. Они химически инертны, неядовиты и имеют низкое давление пара при нормальной температуре, позволяющее получать предельное остаточное давление 10"4—10 5 Па и ниже без применения низкотемпературных ловушек. В высоковакуумных паромасляных насосах применяют в основном четыре типа рабочих жидкостей: минеральные масла, кремнийорганические соединения, сложные эфиры органических спиртов и кислот и синтетические углеводородные жидкости. Минеральные масла получают путем вакуумной дистилляции продуктов переработки нефти. Это неоднородные по составу жидкости, представляющие собой смеси углеводородов различной молекулярной массы с различной температурой кипения, отличающиеся низким давлением пара при нормальной температуре. Насосы, работающие на этих маслах, создают предельное остаточное давление 10-4—10“6.
Минеральные масла имеют, как правило, достаточно высокую термостойкость и сравнительно невысокую термоокислительную стойкость, при окислении образуют смолистые налеты на внутренних поверхностях насоса. Несмотря на высокую термическую стабильность минеральных масел, состав остаточных газов в хорошо тренированном насосе в значительной мере определяется продуктами разложения масла в кипятильнике насоса. Несмотря на малую термоокислительную стойкость и образование летучих углеводородов, минеральные масла получили самое широкое распространение благодаря относительно невысокой (по сравнению с другими рабочими жидкостями) стоимости (1,4—4,5 руб./кг).
Отечественная промышленность выпускает высоковакуумные минеральные масла, являющиеся продуктами дистилляции медицинского вазелинового масла. Самое дешевое масло получают путем однократной разгонки, а масло ВМ-5 путем двукратной разгонки вазелинового масла. Масло ИМ-8 обладает более однородным составом и более высокой термической стойкостью, чем масло ВМ-1. Предельное остаточное давление насоса при работе на масле ВМ-5 на порядок ниже, чем при работе на масле ВМ-1, причем достижения остаточного давления в 1,5—2 раза меньше. Следует заметить, что характеристики минеральных масел зависят от сорта нефти, используемой в качестве исходного сырья. Синтетические углеводородные жидкости являются более дорогими по сравнению с минеральными углеводородными жидкостями, но для их производства не требуется дефицитного сырья — нефти; состав и характеристики их точно воспроизводимы.
Отечественной промышленностью освоено производство синтетической углеводородной жидкости на основе алкилнафталинов. Эта жидкость имеет низкое давление пара при нормальной температуре, позволяющее получать предельное остаточное давление диффузионного насоса 106—10 7 Па; обладает более высокой термоокислительной стойкостью, чем минеральные масла. Кремнийорганические жидкости — полисилоксановые соединения, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода с присоединенными углеводородными радикалами по свободным связям кремния. Благодаря сильной связи между кремнием и кислородом кремнийорганические жидкости обладают высокой термической и термоокислительной стойкостью.
Некоторые жидкости обладают низким давлением пара при нормальной температуре и позволяют получать предельное остаточное давление диффузионного насоса до 10^* Па. В диффузионных насосах, предназначенных для получения сверхвысокого вакуума, применяют кремнийорганические жидкости ФМ-1 (пента-фенилтрисилоксан) и ФМ-2 (гек-сафе-нилтетрасилоксап), обладающие ультранизким давлением пара при нормальной температуре 10-9—10м Па и позволяющие создавать предельное остаточное давление диффузионного насоса ниже 10“7 Па без использования ловушек, охлаждаемых жидким азотом. Эфиры, используемые в качестве рабочих жидкостей в отечественных диффузионных насосах, представляют собой полифениловые соединения, отличающиеся исключительно высокой термической стабильностью.
Зависимость быстроты действия от температуры откачиваемого газа. Быстрота действия насоса прямо пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры откачиваемого газа. Изменения температуры откачиваемого газа, наблюдаемые обычно на практике, незначительно влияют на быстроту действия насоса. Так, чтобы быстрота действия увеличилась на 10%, температуру откачиваемого газа следует повысить с 293 до 353 К.
Зависимость быстроты действия от рода рабочей жидкости. Если в диффузионный насос заливать различные рабочие жидкости и подводить одинаковую мощность для подогрева, то быстрота действия насоса будет различной. Зависимость быстроты действия насоса от рода рабочей жидкости можно объяснить тем, что жидкости имеют различные термодинамические и физико-химические характеристики, обусловливающие различные режимы работы кипятильники, истечения пара из сопла и соответственно различные структуры струй, а также различные количественные соотношения при взаимодействии с молекулами пара.
Поскольку число факторов, обусловливающих влияние рабочей жидкости на работу насоса, велико, зависимость быстроты действия от рода рабочей жидкости можно выразить простым соотношением, позволяющим проследить характер изменения быстроты действия от рода рабочей жидкости. Кроме того, для многих рабочих жидкостей (вакуумных масел) неизвестны некоторые важные характеристики, например показатель адиабаты к, обусловливающий зависимость режима истечения пара из сопла от рода рабочей жидкости. В связи с этим теоретическое исследование зависимости быстроты действий от рода рабочей жидкости затруднено.
К выбору рабочей жидкости для насоса подходят обычно с чисто практической точки зрения. Так, если в откачиваемой системе недопустимо присутствие углеводородов, применение органических соединений в качестве рабочей жидкости исключается; в таких случаях обычно применяют ртуть. Если же требуется получить возможно более низкое предельное остаточное давление без применения низкотемпературных ловушек, то в качестве рабочей жидкости используют вакуумное масло с хорошим предельным вакуумом и т. д. Конструирование и отработку насоса ведут обычно для определенной рабочей жидкости, так что характеристики насоса являются оптимальными для этой жидкости.
Для работы на другой рабочей жидкости необходимо подбирать (изменением мощности) новый оптимальный режим работы насоса. Предельное остаточное давление насоса определяется противо-диффузией газа со стороны форвакуума, давлением пара рабочей жидкости при температуре стенок насоса, выносом газов со струей пара из кипятильника, а также газовыделениями стенок насоса.
Противодиффузия газа через струю зависит от давления газа под струей, плотности и скорости паровой струи, молярной массы газа. Некоторые рабочие жидкости, нагреваясь до рабочей температуры, в кипятильнике могут частично разлагаться с выделением газообразных продуктов (так называемый термический крекинг масла), которые выносятся со струей в откачиваемый объем. Естественно, что термическое разложение рабочей жидкости происходит тем интенсивнее, чем выше температура пара в кипятильнике и, соответственно, чем выше подводимая к насосу мощность.
Следовательно, кривая зависимости предельного остаточного давления от мощности подогрева должна иметь минимум. С увеличением мощности подогрева предельное остаточное давление сначала уменьшается вследствие уменьшения противодиффузии, а затем, достигнув минимального значения при некоторой мощности подогрева, начинает возрастать вследствие выделения газообразных продуктов термического разложения масла. Выделение из струи газов, попадающих с конденсатом в кипятильник, существенно зависит от растворимости газов в конденсате, температуры конденсата и давления, при котором происходит растворение газа в конденсате. Чем ниже давление, при котором газ контактирует с пленкой конденсата, и выше температура конденсата, тем меньше растворимость газа в конденсате, а соответственно, меньше эмиссия газов из струи и ниже предельное остаточное давление насоса.
На предельное остаточное давление существенно влияет выделение газов из стенок насоса. Обезгазивание стенок насоса путем прогрева до 370 К позволяет понизить предельное остаточное давление насоса более чем на порядок. Наибольшее выпускное давление насоса определяется работой последней выпускной ступени и зависит, главным образом, от плотности струи, расхода пара через сопло и конструкции ступени. Для увеличения наибольшего выпускного давления необходимо увеличивать плотность паровой струи и расход пара через сопло, т. е. мощность подогрева насоса. Наибольшее выпускное давление высоковакуумного насоса зависит от впускного давления, причем характер зависимости определяется, главным образом, конструкцией выпускной ступени.
Во многих конструкциях высоковакуумных насосов выпускная ступень выполнена в виде эжекторного узла с конической сужающейся камерой смешения. В этих насосах наибольшее выпускное давление возрастает с увеличением впускного давления. Обычно насосы характеризуются наибольшим выпускным давлением при предельном остаточном давлении или при наибольшем впускном давлении в рабочем диапазоне (диапазон давлений, в котором быстрота действия постоянна).
Для сравнительной оценки степени совершенства диффузионных пароструйных насосов применяют удельные характеристики, важнейшими из которых являются удельная быстрота действия, вакуум-фактор и термодинамический коэффициент полезного действия. Удельная быстрота действия представляет собой быстроту действия насоса, отнесенную к единице площади впускного отверстия. Вакуум-фактор — отношение фактической быстроты действия насоса к теоретической максимально возможной быстроте действия:
Ф = 5А /5 .
Ваккум- фактор — более наглядная характеристика работы вакуумных насосов, чем удельная быстрота действия, так как непосредственно указывает, насколько фактическая быстрота действия отличается от предельной. При этом удельную теоретическую быстроту действия можно рассматривать как объем газа, который теоретически может пройти через 1 см2 площади диффузионной диафрагмы в единицу времени.
Термодинамический КПД в соответствии с выражением для различных пароструйных диффузионных насосов, т. е. только сотые или десятые доли процента подводимой мощности затрачиваются на совершение работы сжатия газа.
Если температура масла в насосе быстро повышается, то из сопла истекает несформированный еще дозвуковой поток, что приводит к резкому увеличению обратного потока масла из насоса; через некоторое время поток сформировывается, скорость его становится сверхзвуковой, а обратный поток масла резко уменьшается до минимального значения. После этого температура в кипятильнике еще некоторое время повышается до рабочей, и обратный поток масла увеличивается в результате увеличения плотности пара на выходе из сопла; далее при установившейся рабочей температуре пара в кипятильнике обратный поток практически не меняется.
При выключении нагревателя насоса по мере уменьшения температуры пара в кипятильнике обратный поток масла сначала убывает вследствие уменьшения плотности паровой струп; затем по достижении температуры в кипятильнике, при которой статическое давление пара на выходе из сопла становится меньше давления газа на входе в насос, происходит скачок уплотнения в сопле, при этом скорость паровой струи становится дозвуковой, а плотность возрастает — обратный поток масла резко увеличивается. После перемещения фронта скачка уплотнения через критическое сечение сопла обратный поток масла начинает убывать. Происходит уменьшение плотности по мере снижения температуры в кипятильнике.
Описанный характер изменения обратного потока паров рабочей жидкости из насоса при значительном увеличении впускного давления во время пуска и остановки насоса часто является причиной загрязнения откачиваемой системы рабочей жидкостью. Даже тогда, когда миграция пара из насоса при нормальном установившемся режиме работы очень мала.
В условиях промышленной эксплуатации вакуумные пароструйные насосы обычно присоединяют к откачиваемым системам через переходные трубопроводы, вакуумные затворы, отражатели, ловушки. Для расширения возможностей промышленного применения вакуумных пароструйных насосов выпускают типовые вакуумные ловушки, отражатели. Пароструйный насос, соединенный с отражателем, ловушкой, затвором и установленный на раме, называют вакуумным агрегатом. Агрегат включает вакуумный затвор шиберного типа ЗВЭ с электромеханическим приводом и заливную азотную ловушку типа ЛА. На корпусе насоса укреплено термореле, служащее для отключения нагревателя насоса при превышении предельной рабочей температуры корпуса. Агрегаты АВП 100-100 и АВП 160-250 монтируют на плите со стойками (агрегаты ABII250-630 и АВП 400-1600 монтируют на подвижной раме-тележке). Заливку жидкого азота в ловушку агрегатов АВП 250-630 и АВП 400-1600 и поддержание его уровня в заданных пределах осуществляют с помощью азотного питателя. В агрегаты АВП 100-100 и АВП 160-250 азот заливают вручную через воронку.