Високовакуумні пароструминні насоси
У пароструминних насосах газ захоплюється струменем пари робочої рідини.
Якщо молекулярних насосах важко надати ротору швидкості порядку теплових швидкостей молекул, необхідних ефективного захоплення, то струмінь пари порівняно легко можна зробити надзвуковою. Швидкість звуку дорівнює
v3B,
де р = mn - густина газу, vт - швидкість його молекул (P = pv 2 / 3), тобто v3B ≈ 0,68vT
На рис. 15 показана схема пароструминного насоса. Парасольковий струмінь пари захоплює і захоплює молекули газу, потім пара конденсується на стінці насоса, що охолоджується, масло, стікаючи в кип'ятильник, - виділяє газ в область під струменем. Потім робоча рідина в кип'ятильнику знову випаровується, піднімається паропроводом, через сопло знову утворює струмінь пари і т. д., здійснюючи безперервний кругообіг.
Струмінь пари розділяє області низького вхідного тиску РВХ і більш високого вихідного тиску РВихл проте великого перепаду тисків струмінь витримати не може, тому вихідний патрубок пароструминного насоса повинен відкачуватися механічним насосом. Оскільки обидва насоси прокачують один потік газу, їх параметри повинні задовольняти умови
. (91)
Швидкість відкачування для кожного насоса беруть при їхньому вхідному тиску. Наприклад, для пароструминного насоса зі швидкістю відкачування S п н= 100 л/сек при перепаді тисків на ньому 10 -2 -10 -3 тор слід використовувати масляно-ротаційний насос з Sмн = 0,1 л/сек
Механізм захоплення газу різний у насосах ежекторних (760-10 -1 тор), бустерних (10 -1 - 10 -4 тор) та дифузійних (10 -4 - 10 -7 тор). Чим вище тиск газу на вході насоса, тим більше має бути щільність пари в струмені. При великих швидкостях закінчення пара збільшення газу відбувається в результаті турбулентно-в'язкістного перемішування вихорів паричастинками газу (жекторні насоси). Зі зниженням тиску і зменшенням витрати пари зростає роль в'язкісного захоплення в ламінарний струмінь (бустерні насоси).
При дуже низьких тисках, коли вільний пробіг молекул газу порядку діаметра насоса, працює тільки дифузійний механізм проникнення молекул газу в струмінь пари, щільність струменя повинна бути малою, а швидкість струменя - великою для ефективної передачі імпульсу молекул газу (дифузійні насоси). При випадковому зіткненні молекул газу зі струменем молекули можуть відбитися, так і дифундувати в струмінь через різницю вхідного тиску і парціального тиску газу в струмені. Елементи струменя пари насичуються газом поступово в міру руху від сопла до стінки.
Тиск газу (PВих) під струменем більше тиску Рвх над струменем, тим більше РВих більше тиску газу в струмені. Тому одночасно з дифузією газу зверху в струмінь відбувається шкідлива дифузія газу знизу в струмінь. Газ, що дифузував у струмінь знизу з області вищого вихідного тиску, не виноситься вгору, а захоплюється струменем вниз і при конденсації пари виділяється назад в обл. Тому важливий малий кут нахилу струменя до стінки. Коефіцієнт компресії дифузійного насоса при граничному вакуумі на його вході дорівнює:
Коефіцієнт компресії тим більше, чим більша швидкість vn, щільність пп і товщина струменя L. Швидкість відкачування дифузійного насоса прагне до верхньої межі, що дорівнює:
Насправді швидкість відкачування насоса менша за максимальну. Зазвичай Хо виявляється близько 0,3-0,4. Ця величина визначається відображенням молекул газу від струменя, обмеженою пропускною здатністю вхідного патрубка насоса, зворотною дифузією і т.д.
Найважливішою характеристикою пароструминних насосів є залежність швидкостівідкачування від вхідного тиску. Для дифузійних насосів вона має плато широкому діапазоні тисків (рис. 16). При малих тисках порядку граничного вакууму S(P) зменшується через зворотну дифузію, розчинність повітря в маслі, газовідділення деталей і т. д. При високому тиску S(P) також зменшується, оскільки підвищення Рьх викликає збільшення тиску під струменем і порушення її нормальної роботи. Паспортні характеристики насосів належать до номінальної потужності нагрівача W0. Від потужності, що підводиться до насоса, залежить швидкість і щільність струменя пари. В результаті підбору W0 є оптимальною потужністю, тобто відповідає найбільшій швидкості відкачування і найнижчого залишкового тиску Рпр. Збільшення потужності зміщує характеристику S(P) область більш високих тисків.
Залежність швидкості відкачування дифузійних насосів від газу складна. Максимальна швидкість відкачування, відповідно до рівняння (94), збільшується із зменшенням молекулярної ваги газу, оскільки S
M -1/2. Однак зворотна дифузія для легких газів більша і зменшує швидкість відкачування при зменшенні М. При різних режимах струменя переважає одна чи інша тенденція (рис. 17). При великій щільності струменя сильніша основна залежність, і швидкість відкачування, наприклад, гелію більше, ніж повітрям. При малій потужності нагрівача полегшується зворотна дифузія і S зменшується зі зменшенням М.
Граничний вакуум дифузійних насосів залежить від зворотного потоку газу та від пружності парів робочої рідини. Відповідно до рівняння (92), Рпр тим краще, чим більша щільність і швидкість струменя, і тим гірше, чим менша молекулярна вага газу. Для зменшення зворотної дифузії та розчинності газу в маслі слід зменшити тиск під струменем РВИХ. З цією метою насоси роблять багатоступінчастими (див.Мал. 15). Розчинність повітря залежить від температури масла, що стікає. Досліди з підігрівом нижньої частини насоса (укорочення водяної сорочки, що охолоджує) підтвердили поліпшення граничного вакууму.
Масло, що застосовується в насосах, неоднорідне за складом і містить фракції з різною пружністю пари і температурою кипіння. У багатоступінчастих насосах застосовується автоматичне фракціонування масла для зниження залишкового тиску РВХ на вході та підвищення допустимого тиску РВип на виході насоса. Якщо у верхнє високовакуумне сопло направити важкі фракції олії з низькою пружністю пари, то поліпшиться граничний вакуум насоса, а якщо нижнє сопло направити легкі фракції з високою пружністю пари, то струмінь стане більш щільним і, отже, більш міцним щодо високого тиску на виході. На експериментальному насосі граничний вакуум без фракціонування знегажування стікаючої олії становив 2•10 -4 тор; з фракціонуванням, але без знегажування 10 -5 тор; з фракціонуванням та знегаджуванням 6*10 -7 тор.
Зі збільшенням потужності нагрівача олія збагачується легкими фракціями та погіршується граничний вакуум насоса. Найбільший зворотний тиск дифузійного насоса визначається щільністю струменя та зростає зі збільшенням потужності нагрівача. При збільшенні тиску на виході насоса РВип більш допустимої величини РВХ відбувається прорив струменя масла газом знизу і різко зростає тиск на вході насоса РВХ- Насос також перестає працювати, якщо потужність нагрівача зменшується нижче критичного значення №кр, необхідного для підтримки сформованого струменя пари.