Насос вакуумный характеристики: Характеристики вакуумных насосов

Насос состоит из приемной пластины, соединенной с цилиндром C через трубку, изогнутую дважды под прямым углом, как показано на рис.25.1. Цилиндр снабжен поршнем. И цилиндр, и поршень имеют клапаны, V ₁ и V ₂ , соответственно, так что они открываются только вверх. Сливной сосуд F помещают над приемной пластиной, как показано.

Вначале поршень перемещается вверх к верху цилиндра из своего исходного положения, когда клапан V ₂ остается закрытым из-за атмосферного давления на нем, а клапан V ₁ принудительно открывается для давления воздуха или газа в сосуде.В результате он поступает и собирается в цилиндре C. Затем поршень перемещается вниз. Клапан V ₁ теперь остается закрытым из-за повышенного давления на него.

Клапан V ₂ открывается под действием газа в баллоне, и газ выходит в атмосферу. Операция повторяется несколько раз. При каждой операции газ собирается в цилиндре во время хода поршня вверх и вытесняется наружу во время хода вниз. Следовательно, через некоторое время в сосуде F. создается хороший вакуум.

Этот тип насоса не может создать высокий вакуум, поскольку давление остаточного газа или воздуха в сосуде не может заставить клапан V ₁ открыть и попасть в цилиндр. Таким образом, этот насос не может создать полный вакуум.

Математически это показано ниже:

Пусть V c.c. — объем сосуда F и трубы до дна C, а v — объем цилиндра. Следовательно, во время первого хода вверх объем V газа расширяется до (V + v) c.c. Опять же, поскольку во время хода поршня вниз, объем v газа выметается, объем оставшегося газа равен V c.c., то есть V / (V + v) исходного объема (V + v) c.c. Во время следующего движения вверх этот объем увеличивается до (V + v) c.c. опять таки. Во время движения вниз v c.c. вытесняется, оставляя позади V / (V + v) объема, оставшегося после первого удара, или V / (V + v) из V / (V + v) исходного объема (V + v) cc, т. е. [V / V + v] ³ оригинального тома. f

Аналогичным образом, после третьего удара оставшийся объем воздуха или газа будет [V / V + v] ³ исходного объема, и, следовательно, после n ходов оставшийся объем будет [ V / V + v] ³ исходного тома (V + v).

Следовательно, ясно, что это выражение, [V / V + v] ³ никогда не может быть нулевым, каким бы ни было значение n. Другими словами, мы можем сказать, что независимо от количества ударов в сосуде всегда будет оставаться воздух или газ, поэтому внутри него не может быть идеального вакуума.

Видно, что давление ниже 1 см ртутного столба с помощью этого насоса практически невозможно снизить. Частично это происходит из-за неспособности газа открыть клапан V ₁ , а частично из-за утечки и наличия влаги в емкости или приемнике, которые необходимо удалить.Поэтому для получения низкого давления используются другие типы насосов. Ротационные масляные насосы больше подходят для этой цели.

Насос изначально был разработан Gaede.

Они бывают двух разных типов, а именно:

(i) Пластинчато-роторный масляный насос, и

(ii) Стационарный пластинчатый масляный насос.

Принцип для обоих типов:

Массивный цилиндрический вал или «ротор», эксцентрично вращающийся внутри полого прочного стального цилиндра или «статора», сжимающий входящий в него газ или пар и, наконец, выбрасывающий его через весь насос, остается погруженным в масло, чтобы служить троекратным образом. цели —

(i) Обеспечение автоматической смазки,

(ii) Предотвращение утечки газа или пара в создаваемый высокий вакуум, и

(iii) Обеспечение эффективного охлаждения насоса.

1. Роторный масляный насос Gaede :

Основные части насоса показаны на рис. 25.2. Здесь C — полая цилиндрическая стальная камера или «статор», а S — массивный и массивный цилиндрический вал или «ротор», эксцентрично вращающийся с помощью электродвигателя. Так что он всегда находится в контакте со статором в некоторой периферийной точке I.

Паз, разрезанный диаметрально, прямо поперек ротора, несет две вставленные в него лопатки.

Они не только отделены друг от друга, но и прижимаются к стенкам статора одной или несколькими пружинами между ними. Таким образом, пространство между статором и ротором разделено на два отдельных отсека.

Таким образом, по обе стороны от P ротор и статор остаются в контакте. Статор снабжен впускным отверстием (I) и выпускным отверстием O, последнее оснащено пружинным клапаном V. Насос полностью погружен в масло.

При вращении ротора в показанном направлении расстояние между ротором и статором на входной стороне увеличивается, а между ротором и выходной стороной статора продолжает уменьшаться.В результате газ или пар из сосуда, соединенного с 1, постоянно втягивается в первый, а во втором — постепенно сжимается.

Когда его давление становится достаточно высоким, он вынуждает открытый клапан V выходить из выпускного отверстия O. Процесс повторяется до тех пор, пока в сосуде, соединенном с насосом, не будет создано давление 10 ^-3 мм. Самоуплотняющийся масляный клапан предотвращает всасывание газа или пара обратно в отработанный сосуд, даже когда насос перестает работать.

2. Ротационный масляный насос Hyvac :

Он состоит из прочного внешнего цилиндра C, внутри которого эксцентрично установлен цилиндр R, известного как ротор. Это показано на рис. 25.3. S — пружина, а V — лопасть, которая удерживает газ или воздух уже внутри цилиндра отдельно от поступающего свежего газа или воздуха. Внешний цилиндр снабжен входной трубкой i, соединенной с выпускным сосудом, и выходной трубкой O, которая снабжена клапаном, открывающимся наружу.

Чтобы предотвратить утечку, весь насос полностью погружен в масло [Рис. 25.3 (а)]. Особый тип клапана предотвращает попадание масла в емкость, разряженную при остановленном насосе. Ротор приводится в движение отдельным электродвигателем с чрезвычайно высокой скоростью в направлении, указанном стрелками.

Рис. 25.3 (a) показывает начальное состояние, когда впускная труба подсоединена к сосуду, который должен быть выпущен, и когда газ из сосуда только что поступил в пространство между цилиндром и ротором R.На рис. 25.3 (b) показано состояние, когда ротор начинает эксцентрично вращаться, а газ сжимается.

Свежий газ входит в цилиндр через впускную трубу i за ротором и удерживается отдельно от газа, уже присутствующего на лопатке V. На Рис. 25.3 (c) показан процесс сжатия, а на Рис. 25.3 (d) показан окончательный стадия сжатия. На этом этапе из-за повышенного давления газа в C клапан на выходе из выпускной трубы O принудительно открывается. В результате газ вытесняется.

Газ за ротором аналогичным образом сжимается и вытесняется. Цикл повторяется до тех пор, пока в подключенном сосуде не будет создан высокий вакуум. Фактически насосная система состоит из двух таких агрегатов, последовательно соединенных друг с другом.

Они установлены рядом и работают от одного двигателя. Первый блок работает напрямую из атмосферы, а второй — за счет создаваемого им форвакуума. Наивысшая достижимая скорость работы составляет около 6 литров в минуту, а достигнутый вакуум составляет около 10 ^-3 мм.

Если к выпускной трубе O подсоединить сосуд, газ будет сжиматься в нем, и поэтому насос также можно использовать в качестве компрессионного насоса.

Типы и характеристики вакуумных насосов- Вакуумный насос

Вакуум — это газ, в котором молекулярная плотность газа ниже стандартного давления. Степень вакуума — это мера тонкости газа, и его наиболее непосредственной физической величиной должно быть количество молекул в единице объема.Но из-за истории, вакуум обычно выражается как давление газа, и чем ниже давление газа, тем выше вакуум. Есть два типа вакуумных насосов.

(1) поршневой вакуумный насос:

Поршневой вакуумный насос является одним из основных устройств для получения вакуума. Используется для удаления воздуха и других газов из закрытого контейнера или реакционного поддона, не подходит для агрессивного газа или газа с твердыми частицами золы. Вакуумный насос W-типа имеет преимущества небольшого объема, простого обслуживания и длительного срока службы тарелки клапана и т. Д.

(2) пластинчато-роторный вакуумный насос:

Пластинчато-роторный вакуумный насос типа 2X представляет собой объемный вакуумный насос с биполярной структурой, который вращается с высокой скоростью ротором с эксцентрично установленной лопастью, так что объем насосной камеры непрерывно изменяется, и функция откачки завершается. Насос оснащен пневмоклапаном. Когда в перекачиваемом газе содержится небольшое количество водяного пара, клапан открывается для впрыска воздуха в выхлопную камеру насоса.Вакуумный насос типа 2X может использоваться в качестве основного насоса отдельно или в качестве насоса передней ступени подкачивающего насоса, диффузионного насоса и молекулярного насоса.

Пластинчато-роторный вакуумный насос 2XZ представляет собой двухступенчатую конструкцию с прямым подключением, и его принцип откачки такой же, как и у насоса типа 2X. Этот насос обладает такими преимуществами, как небольшой объем, легкий вес, низкий уровень шума, простой запуск и перемещение и подходит для использования в лаборатории. Вакуумный насос типа 2XZ можно использовать независимо, а также в качестве насоса передней ступени и насоса для обслуживания бустерного насоса, диффузионного насоса и молекулярного насоса.Насос не подходит для агрессивных газов и газов, содержащих гранулированный зольный порошок.

: типы, особенности, применение

способны улавливать большие количества материала и / или жидкости в самых разных промышленных областях. Вакуум определяется как пространство, в котором давление газа ниже атмосферного. Мера вакуума связана с давлением. Пылесосы отвечают за удаление загрязняющих веществ и твердых частиц из воздуха, окружающего рабочее пространство.

Производство вакуума

Функция вакуумного насоса состоит в том, чтобы откачивать газ из заданного объема так, чтобы давление понижалось до значения, подходящего для данной цели. Пылесосы используют четыре основные системы для производства вакуума:

Центробежные нагнетатели используются, когда требуется только периодическая работа. Они могут питаться от недорогого щеточного двигателя переменного или постоянного тока с коротким сроком службы. Более подробную информацию можно найти в разделе «Как выбрать центробежные насосы».

Турбинные насосы — это центробежные насосы, которые создают давление в насосе с помощью крыльчатки для приложения центробежной силы к движущейся среде. В них используются рабочие колеса турбинного типа с радиально ориентированными зубьями. Турбинные насосы имеют высокое давление нагнетания, подобное поршневым или многоступенчатым центробежным насосам, а также гибкость в работе, как у центробежных насосов. Их лучше всего использовать в операциях, где требуются высокий напор, низкий расход и компактная конструкция. Прочтите Как выбрать турбинный насос для получения дополнительной информации.

Регенеративные устройства похожи на центробежные нагнетатели и насосы, но камера разработана для создания более высокого давления. Вместо того, чтобы иметь только одно сжатие на ступень (центробежные типы), отдельные молекулы воздуха проходят через множество циклов сжатия с каждым оборотом. Более подробную информацию можно найти в разделе «Как выбрать регенеративные воздуходувки». Регенеративные нагнетатели создают низкий вакуум (100 дюймов H ₂ O в одноступенчатых моделях), но очень высокую пропускную способность (до нескольких сотен кубических футов в минуту).

Насосы прямого вытеснения (PD) создают вакуум, изолируя и сжимая постоянный объем воздуха. Сжатый воздух выходит из одного порта, и в том отверстии, через которое втягивается воздух, создается вакуум. Более подробную информацию можно найти в разделе «Как выбрать поршневой насос прямого вытеснения».

Системы разделения

Поскольку в вакууме собираются среды, они могут быть отделены и сохранены с помощью системы разделения. Системы разделения гарантируют, что насос и трубки не будут засорены или заблокированы во время работы устройства.Существует несколько типов систем разделения, включая мешочные или картриджные, а также циклонные или центробежные сепараторы.

Сепараторы мешочного типа , также известные как мешочные камеры, представляют собой устройства для контроля загрязнения воздуха, в которых используются тканевые фильтрующие трубки или картриджи для улавливания или отделения пыли и других твердых частиц. Их можно использовать как на небольших домашних рабочих местах, так и на крупных промышленных объектах. Сепараторы мешочного типа доступны в различных размерах и типах мешков. Они очень эффективны при правильном уходе и использовании в относительно сухой среде.Для получения дополнительной информации посетите страницу Как выбрать рукавные фильтры и рукавные фильтры.

Циклонные сепараторы , также известные как центробежные сепараторы, используют силу тяжести и вихрь для удаления твердых частиц из газовых потоков. В них не используются фильтрующие материалы или движущиеся части. Это снижает падение давления, эксплуатационные расходы и необходимое техническое обслуживание. Циклонные сепараторы могут выдерживать тяжелые условия эксплуатации, и, поскольку разделение в циклонах является сухим процессом, они менее подвержены коррозии из-за влаги.Эти устройства работают за счет включения центробежных, гравитационных и инерционных сил для вращения среды с целью удаления мелких частиц, взвешенных в воздухе или газе.

Еще одна характеристика, которую следует учитывать, — это емкость системы разделения. Размер мешка или циклона определяет, как часто его нужно опорожнять или очищать.

Типы пылесосов

Пылесосы используются в самых разных отраслях и сферах применения. Выбранная модель должна основываться на размере помещения, пылесосе среды, пользователе и частоте использования.Есть несколько типов пылесосов:

Технические характеристики пылесоса

Технические характеристики промышленных пылесосов включают:

Мощность системы указывается в лошадиных силах и указывает мощность двигателя.Выходная мощность вакуумного насоса определяется производством в виде кривой давление-расход, которая также показывает требования к входной мощности и скорости. Объединив эти данные, можно оценить общую эффективность (как объемную, так и механическую). Чтобы выполнить эту оценку, производительность насоса по свободному воздуху при требуемом уровне вакуума должна быть разделена на мощность привода в данном состоянии. Результат пропорционален произведению избыточного вакуума, а расход воздуха представляет эффективность.Источник вакуума зависит от местоположения и применения вакуума. Если на небольшой площади используется большое количество генераторов вакуума, рекомендуется централизованная вакуумная система. Если для покрытия большой площади пола требуется несколько пылесосов, использование электрических вакуумных насосов нецелесообразно. Обычно промышленные пылесосы работают от электричества, бензина, дизельного топлива или сжатого воздуха.

Электричество — Электрические пылесосы очень эффективны, в четыре раза более эффективны, чем генераторы вакуума с приводом от сжатого воздуха.Они являются лучшим вариантом, если требуется постоянный вакуумный поток и высокая скорость потока при более высоких уровнях вакуума.

Сжатый воздух — Насосы с приводом от сжатого воздуха требуют большого объема сжатого воздуха для правильной работы. Если предприятию требуется несколько таких устройств, у них могут возникнуть проблемы с поддержанием адекватного давления подачи. Часто дополнительные или резервные компрессоры необходимо поддерживать в оперативном режиме, чтобы соответствовать требованиям объекта.

Воздушный поток означает скорость создаваемого воздушного потока.Это также известно как скорость удаления воздуха. Скорость потока определяется объемом воздуха, выпущенного без разницы давлений через насос. Большинство производителей предоставляют кривые, показывающие подачу свободного воздуха при номинальной скорости для уровней вакуума. Эти уровни варьируются от 0 дюймов ртутного столба (открытая емкость) до максимального номинального вакуума.

Изображение предоставлено: скорость потока в зависимости от давления

Давление вакуума обычно называют статическим давлением (SP) или водоподъемом.В вакуумных системах вакуумное давление используется при обсуждении перепада давления на фильтрующем материале. Максимальный уровень вакуума обычно указывается в абсолютном давлении в мм рт. Ст. Или вакууме в дюймах рт. Ст. Номинальные значения постоянного и периодического вакуума определены для стандартного атмосферного давления, которое составляет 29,92 дюйма рт. Ст. Рейтинг определяется по формуле:

V _a = (V _o * P _a ) / 29,92

Где,

В _a = регулируемый номинальный вакуум, дюйм.Рт.

В _o = исходный номинальный вакуум при стандартных условиях, дюймы рт. Ст.

P _a = ожидаемое атмосферное давление на месте применения, дюймы рт. Ст.

Максимальное количество входов или операторов , которое может поддерживать устройство, зависит от размера системы. Некоторые важные спецификации, которые следует учитывать, заключаются в том, что чем больше входов или операторов в системе, тем больше требуется мощности, давления и фильтров. Примите во внимание пространство и доступ к таким ресурсам, как мощность, чтобы определить наименьшее количество пылесосов, необходимых для адекватного выполнения задачи.

Медиа

Тип среды в системе важно учитывать при выборе промышленного вакуума. Пылесосы могут работать с различными типами сред, включая жидкости (влажные), газы и твердые частицы (сухие). Очень важно убедиться, что выбранный вакуум может эффективно собирать системную среду, потому что использование неправильного вакуума может привести к серьезному повреждению оборудования и оборудования. Некоторые устройства могут использоваться с абразивами, охлаждающими жидкостями и масляным туманом, взрывчатыми веществами, мелкими порошками, общей очисткой, сбором мусора, нелетучими средами, стружкой и жидкостями для металлообработки, регенерацией и переработкой, сбором разливов, токсичными средами и сваркой. пары.

Фильтр

Важным компонентом пылесоса является тип фильтра, используемого для сбора материала. В большинстве пылесосов используется механический фильтр, который представляет собой физическое устройство, используемое для улавливания и удержания частиц. Барьеры могут быть изготовлены из тканевых, полиэтиленовых и / или бумажных фильтров. На механическую фильтрацию влияют четыре фактора: размер собираемых частиц, скорость воздуха или скорость частиц, фильтрующий материал и время работы фильтра. Доступны фильтры с широким диапазоном эффективности.Двумя наиболее эффективными фильтрами являются фильтры HEPA и ULPA.

Высокоэффективные воздушные фильтры для улавливания твердых частиц (HEPA) представляют собой сменные сухие фильтры с расширенной средой в жесткой раме. Они имеют минимальную совокупную эффективность 99,97% для частиц размером 0,3 микрона и максимальное падение давления на чистом фильтре 2,54 см (1 дюйм) водяного столба при испытании при номинальной пропускной способности воздуха.

Изображение предоставлено: Википедия

Воздушные фильтры со сверхнизким проникновением (ULPA) — это сухие фильтры с расширенной средой, которые смонтированы в жесткой раме.Они имеют минимальную эффективность улавливания частиц 99,999% для частиц размером более или равных 0,12 микрона. Фильтры ULPA более эффективны, чем фильтры HEPA, и часто используются на предприятиях, производящих микроэлектронику.

Характеристики

Пылесосы различаются такими характеристиками, как:

Пригодность для чистых помещений — Пылесос для чистых помещений разработан специально для чистых помещений. Для чистых помещений, включая лаборатории и больницы, необходим воздух очень высокого качества (без твердых частиц и загрязнений) для предотвращения загрязнения.Обычно для этого требуется фильтр HEPA или лучше.

Изображение предоставлено: Промышленные пылесосы Nilfisk

Рабочий цикл — Пылесосы непрерывного действия рассчитаны на 100% рабочий цикл (постоянное использование). Это важно для таких объектов, как деревообрабатывающие цеха, где твердые частицы и загрязнения могут оседать на машинах или операторах. Большое количество твердых частиц в воздухе может представлять потенциальную опасность для здоровья и возгорания. При выборе постоянного вакуума учитывайте мощность, необходимую для работы устройства.

Приборная панель — Устройство оборудовано приборной панелью для управления пользователем. Приборная панель может быть оборудована буквенно-цифровой клавиатурой, датчиками, предохранительными выключателями, двухпозиционными переключателями или элементами управления таймером.

Приложения

Пылесосы можно найти в таких отраслях, как сельское хозяйство, автомобилестроение, производство продуктов питания и напитков, здравоохранение, фармацевтика, коммунальные услуги, а также при производстве текстильных изделий, целлюлозы и бумаги, пластмасс и резины, а также электротехники и электроники или манипуляциях с ними.Пылесосы используются для сбора частиц, которые могут вызвать возгорание при воздействии искры, для поглощения опасных паров химических веществ, для поддержания чистоты рабочего воздуха, чтобы операторы могли видеть и дышать безопасно, а также для поддержания чистоты оборудования и отсутствия мусора. Промышленные пылесосы могут быть особенно важны там, где важно высокое качество воздуха, например, при производстве деликатных материалов, таких как микроэлектроника или фармацевтика.

ресурсов

Вакуумные насосы

Типы фильтрации

Все плюсы и минусы вакуумных генераторов

Чемберс, А. Современная физика вакуума . Бока-Ратон: Chapman & Hall / CRC, 2005. Печать.

Изображение предоставлено:

Промышленные пылесосы Nilfisk

Вакуумный насос — обзор

IV Скорость откачки и время откачки

Скорость S любого вакуумного насоса может быть определена как скорость, с которой насос удаляет газ из системы. Эта скорость может выражаться в граммах или литрах в секунду. Если P — давление на входе в насос, то объемный расход через насос при давлении P равен Q / P [см.(5)], и, следовательно,

(30) S = Q / Pliterssec − 1

Это определение скорости откачки может применяться к механическому, диффузионному, ионному или криогенному насосу или даже к отверстию, соединяющему вакуумную систему при давление P в область более низкого давления. Однако скорость откачки не следует путать с проводимостью, которая измеряется в тех же единицах. Электропроводность подразумевает градиент давления в геометрической структуре, через которую проходит поток газа [уравнение. (4)], в то время как скорость откачки может быть определена в любой плоскости в системе и представляет собой просто объем газа, протекающего через плоскость в секунду, измеренный при давлении, равном давлению в плоскости.

Скорость большинства насосов почти постоянна в широком диапазоне давлений. Однако существует нижний предел давления, достигаемого с помощью данного насоса, и по мере приближения к этому предельному давлению P _a скорость падает.

Небольшое количество газа, поступающего обратно в систему, определяет этот предел низкого давления. Предположим, что насос имеет фиксированную внутреннюю скорость откачки S ₀ = Q / P _p независимо от давления на входе насоса P _p и постоянную небольшую утечку газа q обратно в систему также независимо от давления.Эффективная скорость откачки S _p на входе в насос

(31) Sp = Q − qPp = S0 (1 − qQ)

При достижении предельного давления Q будет точно равно до течи q ; таким образом, S ₀ = Q / P _p = q / P _a . Сделав эти замены в формуле. (31) дает

(32) Sp = S01 − Pa / Pp

Здесь S _p — эффективная скорость откачки при давлении P _p насоса с собственной скоростью S ₀ , а предельное давление P _a .Как показано на рис. 4, это упрощенное уравнение приблизительно отражает характеристику скорости механического насоса.

РИСУНОК 4. Характеристические кривые скорость – давление для одно- и двухступенчатого роторного маслозаполненного лопастного насоса (Cenco).

Скорость откачки, наблюдаемая для вакуумной системы, зависит не только от скорости насоса, но также от проводимости соединений между насосом и откачиваемым объемом. Рассмотрим емкость объемом V , подключенную к насосу через проводимость F , как показано на рис.5. Пусть S _p будет скоростью насоса, измеренной на входе, где давление составляет P _p . Пусть S будет скоростью откачки на входе в проводимость, где давление составляет P . Поскольку P = Q / S, P _p = Q / S / _p и P — P _p = Q / F , it следует, что (1/ S ) — (1/ S _p ) = 1/ F или

РИСУНОК 5.Вакуумный насос, подключенный к сосуду через провод.

(33) S = Sp1 / 1 + Sp / F

Таким образом, эффективная скорость откачки S насоса со скоростью S _p перекачка через проводимость F не может превышать меньшую из S _p или F . Фактически, оно всегда меньше, чем S _p , и никогда не может превышать значение F , которое представляет собой скорость, с которой газ проходил бы через проводимость, если бы он был подключен к идеальному вакууму.Если проводимость соединений равна скорости насоса, эффективная скорость откачки будет уменьшена вдвое. Чтобы полностью использовать скорость данного насоса, соединения между насосом и остальной частью системы должны быть как можно более короткими и большими по диаметру.

Замена ур. (32) в уравнении. (33), и используя соотношение Q = PS = ( P — P _p ) F , чтобы исключить S _p и P _p , дает

(34) S = S0 (1 − Pa / P1 + S0 / F) = S ′ (1 − PaP)

Это уравнение, которое применяется как к молекулярному, так и к вязкому потоку, дает эффективную скорость откачки S при давлении P насоса с собственной скоростью S ₀ и предельным давлением P _a , прокачивающий через проводимость F .Наименьшее давление, достижимое в резервуаре, равно предельному давлению насоса, а при высоких давлениях скорость откачки составляет S ‘, что ожидается для проводимости последовательно с насосом, согласно формуле. (33).

Поток газа из емкости, показанной на рис. 5, согласно формуле. (34), Q = PS = P S ′ (1 — P _a / P ) = S ′ ( P — P _a ).В результате этого потока давление падает со скоростью dP / dt , определяемой

Q = — (d / dt) (PV) = — V (dP / dt) = S ′ (P − Pa )

или

(35) dP / (P − Pa) = — (S ′ / V) dt

Интегрирование этого уравнения, предполагая, что S ′ является константой, не зависящей от давления, дает время t требуется для откачки системы от давления. соединение между насосом и выпускаемым объемом, как правило, будет функцией давления, если только молекулярный поток не находится в диапазоне от P ₁ до P ₂ .Если F является функцией давления в интересующем диапазоне, или если уравнение. (36) неточно представляет характеристику скорости откачки, то эти факторы необходимо учитывать при интегрировании уравнения. (35). В качестве альтернативы уравнение. (36) можно использовать для вычисления времени откачки путем суммирования значений t для небольших приращений давления в рассматриваемом диапазоне давления с заменой соответствующего значения S ‘в каждом случае. В формуле.(36), P _a может представлять истинное предельное давление насоса, или это может быть некоторое более высокое давление, вызванное реальной или виртуальной утечкой в ​​вакуумной системе или присутствием загрязняющего вещества в системе или насосе. . В крайнем случае, например, присутствие конденсированного водяного пара в вакуумной системе может поднять значение P _a до 24 Торр при 25 ° C.

Курт Дж. Лескер Компания | Классификация насосов Технические примечания

Пластинчато-роторные насосы

Уровень вакуума: Грубый вакуум или грубый вакуум (в зависимости от конструкции)
Метод удаления газа: Перекачка газа
Конструкция насоса: с масляным уплотнением (мокрый)

Существует два различных типа пластинчато-роторных насосов — для грубого вакуума и для грубого вакуума.Основные различия между пластинчато-роторным механизмом для грубых насосов и грубых насосов заключаются в количестве лопаток, их допусках и улавливании паров выхлопного масла.

Во всех пластинчато-роторных насосах газ из камеры поступает во входное отверстие и задерживается между лопастями ротора и корпусом насоса. Эксцентрично установленный ротор сжимает газ и направляет его к выпускному отверстию. Когда давление газа превышает атмосферное, выпускной клапан открывается, и газ выходит.Масло используется как смазка, охлаждающая жидкость и газовый герметик для лопаток. Одноступенчатые лопастные роторно-поршневые насосы имеют предельное давление в диапазоне 10 ^-2 торр, а двухступенчатые лопастные насосы для формовки достигают 10 ^-3 торр. Скорость откачки варьируется от 1 до 650 кубических футов в минуту, в зависимости от того, является ли насос лопаточным насосом с грубыми или грубыми лопастями.

Насосы с плоскими лопастями используются в основном в качестве форвакуумных насосов для насосов Рутса или для высоковакуумных газоперекачивающих насосов, таких как турбомолекулярные и диффузионные, во всех вакуумных системах.Лопастные насосы грубой очистки используются в сублимационной сушке, вакуумной фильтрации, вакуумной пропитке, транспортировке материалов, упаковке мяса и в «домашних» вакуумных системах.

Мембранные насосы

Уровень вакуума: Грубый вакуум
Метод удаления газа: Перенос газа
Тип насоса: Сухой

Гибкая металлическая или полимерная диафрагма изолирует небольшой объем с одного конца.На другом конце находятся два подпружиненных клапана: один открывается, когда давление в объеме падает ниже «внешнего» давления, а другой открывается, когда давление в объеме превышает «внешнее» давление. Кулачок на валу двигателя быстро изгибает диафрагму, вызывая перенос газа в один клапан и наружу из другого.

Мембранные насосы часто имеют две последовательно включенные ступени — для создания более низкого вакуума или параллельно для получения более высокой скорости откачки. Как правило, диафрагменные насосы имеют низкую скорость откачки (<10 куб. Футов в минуту) и создают плохой предельный вакуум (от 1 до 10 торр).Однако они действительно выбрасываются в атмосферу, и их низкая стоимость делает их привлекательными насосами для черновой очистки. Частично гибридные насосы были разработаны для того, чтобы использовать диафрагменные насосы с низким давлением в форвакуумной системе. Мембранные насосы также используются для простой вакуумной фильтрации, тонкопленочного испарения, дистилляции, сушки геля и в качестве движителей проб для газоанализаторов, мембранной фильтрации и отбора проб.

Криосорбционные насосы

Уровень вакуума: Грубый вакуум
Метод удаления газа: Перенос газа
Тип насоса: Сухой

Криосорбционные насосы представляют собой трубки с закрытым концом, заполненные гранулами молекулярного сита.Трубки часто имеют внутреннее ребро или втягивание для улучшения теплопередачи. Перекачивающее действие создается путем охлаждения молекулярного сита с LN ₂ в окружающем сосуде Дьюара. Криосорбционный насос правильного размера откачивает из камеры атмосферу примерно до 10 ^-4 Торр за несколько минут. Но это разовая операция, и насос требует регенерации перед дальнейшим использованием. Для достижения минимального давления последовательно работают два или более криосорбционных насоса.Они недорогие, безотказные, абсолютно сухие. До появления сухих механических насосов они часто использовались для первоначальной предварительной откачки редко вентилируемых сверхвысоковакуумных систем с ионной накачкой. Их простые продувочные резиновые стопорные клапаны делают первую часть регенерации автоматической. Более эффективная регенерация требует нагрева одного насоса, пока он перекачивается другим.

Поршневые насосы

Поршневые насосы

Уровень вакуума: Грубый вакуум
Метод удаления газа: Перенос газа
Тип насоса: Сухой

Механизм, запатентованный CSIRO Australia, перемещает возвратно-поступательный поршень в металлическом цилиндре, облицованном композитной стенкой из ПТФЭ, отшлифованной до 3 микрон.Комбинация тарельчатого и золотникового клапанов, аналогичная концепции 4-тактных и 2-тактных двигателей внутреннего сгорания, направляет поток газа в цилиндр и из него. Насосы имеют до 4 ступеней, часто соединенных параллельно или последовательно для достижения максимального вакуума 2 x 10 ^-2 торр или скорости откачки от 6 до 32 кубических футов в минуту при атмосферном давлении. Они используются в чистых и сухих помещениях, не содержащих агрессивных газов, водяного пара или пыли.Типичное применение — черновая обработка замков нагрузки в системах обработки MBE и UHV.

Спиральные насосы

Уровень вакуума: Грубый вакуум
Метод удаления газа: Перенос газа
Тип насоса: Сухой

Две открытые спиральные металлические полосы вложены вместе. Одна спираль неподвижна, а другая «вращается по орбите» — ее центральная точка описывает небольшой круг, но спираль не вращается.По мере того, как движущаяся спираль движется по орбите, она касается неподвижной спирали в постоянно меняющихся положениях. Форма спиралей означает, что в одной орбитальной точке имеется открытый (в форме полумесяца) объем, соединенный с входным отверстием. Чуть позже на орбите соединение с входом закрывается, задерживая объем газа. Продолжение движения по орбите приводит к уменьшению этого объема, сжимая газ до тех пор, пока он не достигнет минимального объема и максимального давления в центре спиралей, где расположен выход.В этом орбитальном положении вход снова подключен к большому открытому объему. Обычно две такие вложенные спиральные ступени устанавливаются последовательно, создавая предельный вакуум в диапазоне 10 ^–2 Торр и скорость откачки примерно 12–25 кубических футов в минуту при атмосферном давлении. Спиральные насосы используются в чистых, сухих процессах и в качестве сухих форвакуумных насосов для высоковакуумных насосов. Их нельзя использовать за пределами диапазона температуры окружающей среды 5–40 ° C.

Винтовые насосы

Уровень вакуума: Грубый вакуум
Метод удаления газа: Перенос газа
Тип насоса: Сухой

Два «винта», вращающихся в противоположных направлениях, левый и правый, сцепляются друг с другом, но не соприкасаются.Когда винты вращаются с умеренной скоростью (3600 об / мин), газ переносится от одного конца конструкции к другому. Механизм создает предельное давление в диапазоне 10 ^-3 Торр, но может работать при атмосферном давлении на входе. Доступны скорости откачки от 30 до 318 кубических футов в минуту. Конструкционные материалы выбраны таким образом, чтобы винтовой насос мог работать в суровых условиях агрессивных газов и твердых частиц, обнаруживаемых в процессах травления полупроводников и химического осаждения из паровой фазы.Они также используются для черновой сухой перекачки, перекачивающих насосов высокого вакуума или начальной откачки для перекачивающих насосов.

Насосы с крючковыми ножками

Уровень вакуума: Грубый вакуум
Метод удаления газа: Перенос газа
Тип насоса: Сухой

Две противоположно вращающиеся крыльчатки, которые в поперечном сечении выглядят как лапки, зацепляются по своей длине, не касаясь друг друга.Вращательное действие мало чем отличается от кулачкового насоса, но входные и выходные отверстия кулачкового насоса находятся в торцевой стенке корпуса и закрыты или открыты концом вала рабочего колеса. Одним из преимуществ этого насоса является его способность принимать высокотемпературные газы, что придает ему хорошие характеристики перекачивания водяного пара. Такие конструктивные особенности, как подача сжатого воздуха в подшипники, обеспечивают защиту от твердых частиц или агрессивного газа. Кулачковые насосы имеют предельное давление чуть ниже 10 ^-1 торр и скорость откачки от 50 до 250 кубических футов в минуту при выпуске до атмосферного давления.Кулачковые насосы используются в суровых промышленных условиях, особенно при обработке полупроводников с кулачковыми насосами, а также в местах с высоким содержанием водяного пара.

Роторно-поршневые насосы

Уровень вакуума: Грубый вакуум
Метод удаления газа: Перенос газа
Конструкция насоса: с масляным уплотнением (мокрый)

Этот механизм лучше всего подходит для перекачивания высоких газовых нагрузок при давлении ниже 0.1 торр. Механизм сложен, но также прочен и выдерживает большие нагрузки. Газ из камеры поступает в корпус насоса через скользящий золотниковый клапан. Эксцентрично установленный цилиндр вращается (вращается по орбите) внутри корпуса насоса без вращения. Он сжимает газ через выпускной клапан в атмосферу. Поворотные поршни широко используются для поддержки крупных насосов Рутса и / или диффузионных насосов, прикрепленных к вакуумным печам промышленного размера.

Насосы Рутса (Роторные)

Уровень вакуума: Грубый вакуум
Метод удаления газа: Перенос газа
Конструкция насоса: с масляным уплотнением (мокрый)

Роторное (или вращающееся) действие отлично подходит для перемещения огромных количеств газа при давлении от 0,01 до 10 Торр. В поперечном сечении два лепестка представляют собой восьмерки, которые входят в зацепление, не касаясь друг друга, и вращаются в противоположных направлениях для непрерывной передачи газа в одном направлении через насос.Степень сжатия (давление на выходе, деленное на давление на входе) составляет от 10 до 100, и одноступенчатые кулачковые насосы должны поддерживаться пластинчато-роторными или поршневыми насосами. Степень сжатия также зависит от молекулярной массы газа, причем более высокие скорости легких газов позволяют им легче возвращаться в камеру. Максимальное давление насоса обычно составляет 10 ^-4 Торр, когда его поддерживает насос, тянущий 10 ^-3 Торр. Насосы Рутса работают с очень высокими газовыми нагрузками и быстро переключают большие камеры периодического действия.Они используются в процессах с высокой производительностью, таких как диффузионная сварка, дистилляционные башни и производственные линии интегральных схем.

Насосы Рутса и высокого давления

Диапазон давления Рутса составляет от ~ 20 Торр до ~ 10 ^-4 Торр. Откачка камеры из атмосферы приводит к двум неочевидным проблемам:

• При работе корней на полной скорости выделяется тепло (за счет сжатия газа) и требуется такой уровень мощности, который повреждает двигатель.
• Если насос выключен, это приводит к огромной потере проводимости.

Производители корней борются с этими проблемами тремя способами.

1. Двигатель с регулируемой скоростью контролируется, и контур обратной связи поддерживает его мощность на приемлемом уровне, чтобы избежать перегрева. По мере снижения давления такая же мощность вращает роторы быстрее. При ~ 20 Торр роторы работают на полной скорости.
2. Насос работает на полной скорости.Однако (автоматический) «обратный» перепускной клапан соединяет выходную и верхнюю стороны. Если давление на выходе слишком велико, клапан открывается, и газ течет обратно на сторону входа, эффективно уравновешивая давления. При ~ 20 Торр давление на выходе уже недостаточно высокое, чтобы открыть клапан.
3. Двигатель работает на полной скорости, но гидравлический привод соединяет его и роторы. При высоком давлении роторы не могут вращаться со скоростью двигателя, и в гидравлическом приводе возникает проскальзывание.При ~ 20 Торр роторы работают на полной скорости.

Диффузионные насосы

Уровень вакуума: Высокий вакуум
Метод удаления газа: Перенос газа
Конструкция насоса: с масляным уплотнением (мокрый)

Диффузионные насосы были первыми в эксплуатации высоковакуумными насосами. Диффузионные насосы работают за счет кипения инертной жидкости с низким давлением пара, высокой молекулярной массы и вытеснения плотного потока пара вверх по центральной колонне и наружу в виде конической паровой завесы через форсунки, наклоненные вниз.Молекулы газа из камеры случайным образом попадают в завесу и подталкиваются к котлу за счет передачи импульса от молекул жидкости. Когда паровая завеса достигает холодной стены, изменение температуры, возможно, на 200–250 ° C немедленно возвращает ее в жидкую форму при низком давлении пара. Насосы малого (1 «) и большого (36») диаметров обеспечивают максимальный вакуум в диапазоне от 10 ^{до 4} Торр. Насосы среднего размера с ловушкой LN ₂ достигают диапазона 10 ^-7 Торр.Скорость откачки колеблется от 30 до 50 000 л / с.

Диффузионные насосы допускают рабочие условия (например, избыточные частицы или химически активные газы), которые могут разрушить другие насосы высокого вакуума. Они имеют высокую скорость откачки при относительно невысокой стоимости и не подвержены вибрации и шуму. К сожалению, они непрерывно возвращают масляный пар в обратном направлении и мгновенно превращают простую операционную ошибку в серьезную системную катастрофу с нефтью повсюду. По этой причине популярность диффузионных насосов снизилась, но они все еще используются в приложениях, требующих огромных скоростей откачки, таких как системы молекулярных пучков, крупномасштабная обработка в вакуумных печах и камеры для моделирования космического пространства.

Турбомолекулярные насосы

Уровень вакуума: Высокий вакуум и сверхвысокий вакуум (в зависимости от конструкции)
Метод удаления газа: Перенос газа
Тип насоса: Сухой

Турбонасосы, как их обычно называют, напоминают реактивные двигатели. Пакет роторов, каждый из которых имеет несколько наклонных лопастей, вращается с очень высокой скоростью между пакетом статоров.Молекулы газа, беспорядочно попадающие в механизм и сталкивающиеся с нижней стороной вращающейся лопасти ротора, получают импульс к выхлопу насоса. Степень сжатия N ₂ на насосе может превышать 10 ⁸ . То есть, если парциальное давление в форвакууме составляет 10 ^-4 Торр, парциальное давление в камере может быть в 10 ^-12 Торр, в 10 ⁸ раз ниже. (Фактическое парциальное давление зависит от многих факторов, не связанных со степенью сжатия.) Коэффициенты сжатия для H ₂ и He намного ниже, иногда менее 10 ³ , что предполагает, что сам по себе турбомеханизм не подходит для создания низких давлений в камере, когда присутствует H ₂ или He.

Максимальный вакуум для большинства турбин составляет от 10 ^-7 Торр до 10 ^-10 Торр. Однако сверхвысокое давление достигается за счет поддержки большого турбонагнетателя малым турбонаддувом (который, в свою очередь, поддерживается механическим насосом).Скорость турбонагнетания составляет от 50 до 3500 л / с для обычных промышленных насосов. Правильно управляемый и вентилируемый, турбомеханизм предотвращает обратный поток пара из смазанных подшипников ротора. Для действительно сухих камер используется турбонагнетатель с подшипниками на магнитной подвеске, поддерживаемый сухим механическим насосом. При надлежащей вентиляции турбомеханизм останавливается менее чем за минуту, что может означать, что вентиляция камеры выполняется без необходимости использования клапана, разделяющего насос и камеру.Кроме того, отдельная черновая линия обычно не требуется, потому что камера может подвергаться шероховатости с помощью стационарного или ускоряющего турбонаддува.

Турбонасосы используются во всех приложениях с вакуумом от 10 ^-4 до 10 ^-10 Торр и заменяют диффузионные насосы в качестве обычных рабочих лошадок. Турбонасосы не используются на пыльных процессах или тех, для которых небольшая высокочастотная вибрация может быть проблемой. Однако некоторые турбонасосы способны противостоять коррозии, вызванной химически активными газами.

Молекулярные дренажные насосы

Уровень вакуума: Высокий вакуум и сверхвысокий вакуум (в зависимости от конструкции)
Метод удаления газа: Перенос газа
Тип насоса: Сухой

Гидравлический насос имеет гладкий, высокоскоростной трубчатый ротор с крышкой на верхнем конце, вращающийся между близко расположенными цилиндрическими стенками, одна снаружи, а другая внутри ротора.Неподвижные стенки имеют спиральные канавки на поверхности, обращенной к ротору. Ротор приводится в движение с тангенциальными скоростями, приближающимися к средней скорости молекул газа. Перекачивающее действие вызывается передачей импульса от ротора молекулам газа со спиральными канавками, обеспечивающими предпочтительное направление потока к выпускному отверстию. Его степени сжатия обычно составляют 10 ⁹ для N ₂ , 10 ³ для He и 10 ³ для H ₂ .Но низкая скорость откачки механизма (менее 10 л / с) означает, что предельный вакуум может составлять всего 10 ^-6 Торр. Максимальное постоянное давление на входе составляет 0,1 Торр, но давление на выходе может достигать 10-40 Торр. То есть диафрагменный насос является адекватным подкачивающим насосом. Скребковые насосы используются там, где требуются относительно низкая стоимость, низкие скорости откачки и умеренный предельный вакуум.

Гибридные насосы Turbo-Drag

Уровень вакуума: Высокий вакуум и сверхвысокий вакуум (в зависимости от конструкции)
Метод удаления газа: Перенос газа
Тип насоса: Сухой

Гибридный насос (также называемый комбинированным насосом или иногда просто турбонасосом) объединяет входную ступень стандартного турбонасоса с выходной ступенью тормозного насоса.Полученный в результате гибрид имеет гораздо более высокую скорость откачки, чем молекулярный тормозной насос, но работает при высоких давлениях в форвакуумной линии, часто требуя только диафрагменного насоса. Степень сжатия для гибридных насосов может достигать 10 ¹⁰ для N ₂ и более 10 ⁴ для H ₂ . Их предельное давление составляет 10 ^-11 Торр при поддержке насоса, обеспечивающего низкое форвакуумное давление, а скорость откачки колеблется от 50 до 3200 л / с.

Гибридный насос, похоже, быстро заменяет обычный турбонагнетатель для всех приложений НИОКР, требующих 10 ^-9 Торр, и крионасос в технологических процессах, для которых время регенерации крионасоса неприемлемо.Гибридные насосы с подшипниками на магнитной подвеске действительно «сухие», а отсутствие у них «физических» опорных поверхностей со смазкой позволяет адаптироваться к довольно агрессивным средам.

Криогенные насосы

Криогенные насосы

Уровень вакуума: Высокий вакуум и сверхвысокий вакуум (в зависимости от конструкции)
Метод удаления газа: Улавливание газа
Тип насоса: Сухой

Криогенные насосы (обычно называемые крионасосами) в принципе аналогичны криосорбционным насосам, за исключением того, что они работают при более низких температурах.По сути, есть три поверхности. Внешняя поверхность, выдерживаемая при температуре 80K и включающая оптически непрозрачную шевронную перегородку, перекачивает в основном водяной пар. Он окружает (и теплоизолирует) внутреннюю поверхность в форме перевернутой чашки, выдерживающую температуру от 15 до 20 К, которая улавливает обычные атмосферные газы. Нижняя сторона чашки покрыта активированным углем и обеспечивает откачку водорода. Все поверхности охлаждаются гелиевым криокомпрессором замкнутого цикла, присоединенным к насосу изолированными трубками.Крионасосы особенно подходят для перекачивания атмосферных газов и паров с высокой температурой плавления (H ₂ O) в диапазоне от 10 ^-6 до 10 ^-9 Торр. Основные недостатки — плохая перекачка гелия и вибрация, передаваемая компрессором.

Этот механизм менее подвержен ошибкам в работе, чем другие насосы высокого вакуума. При контакте с камерой, когда количество газа (давление x объем) превышает рекомендованное производителем количество, насос просто нагревается, временно теряя способность перекачивать.После уменьшения газовой нагрузки и охлаждения насоса он снова готов к работе. Количество закачиваемого газа перед необходимостью регенерации колеблется от нескольких сотен атм. Литров Ар до нескольких атм. литров для H ₂ .

Крионасосы добились большого успеха в неагрессивных полупроводниковых процессах, где безмасляная работа и высокие скорости откачки имеют важное значение.

Ионные насосы

Уровень вакуума: Сверхвысокий вакуум
Метод удаления газа: Улавливание газа
Тип насоса: Сухой

Ионные насосы — лучший выбор для всех настоящих камер сверхвысокого вакуума.Они чистые, поддающиеся выпеканию, без вибрации, работают от 10 ^-6 Торр до 10 ^-11 Торр с низким энергопотреблением и имеют длительный срок службы. Все ионные насосы имеют одинаковые основные компоненты: параллельный ряд коротких трубок из нержавеющей стали, две пластины (Ti или Ta), расположенные на небольшом расстоянии от открытых концов трубок, и сильное магнитное поле, параллельное осям трубок.

Электроны с (катодных) пластин движутся по узким спиральным траекториям в магнитном поле через (анодные) трубки.Когда молекула газа ионизируется электроном в трубке, она сильно притягивается к катоду и ударяется с силой, достаточной для распыления титана. Распыленный Ti покрывает все: трубы, пластины и корпус насоса. Возможны несколько механизмов откачки, в том числе химическая реакция (геттерное действие), захоронение ионов и захоронение нейтралами (последние два учитывают способность насоса перекачивать инертные газы).

Характеристики ионного насоса определяются материалом пластины, ее физической формой и подаваемым напряжением.В «диодном» насосе титановые пластины заземлены, а трубки имеют высокое положительное напряжение.
Диод имеет высокую скорость откачки для H ₂ , O ₂ , N ₂ , CO ₂ , CO и других извлекаемых газов. Насос типа «благородный диод» имеет такое же электрическое питание, что и диод, но одна пластина из титана заменена на Ta. Это снижает скорость откачки насоса H ₂ , но обеспечивает более высокую скорость откачки и большую стабильность для Ar и He.В «триодном» насосе пластины имеют прорези или отверстия каким-либо образом и подключены к высокому отрицательному напряжению. И трубки, и корпус насоса (действующий как третий электрод) заземлены. Распыление из пластин с прорезями приводит к осаждению Ti не только на трубках и пластинах, но и на корпусе насоса. Инертные газы и захоронение метана в корпусе менее восприимчивы к более поздней ионной бомбардировке, даже при высоких давлениях, когда пластины подвергаются сильной бомбардировке.

Титановые сублимационные насосы

Уровень вакуума: Сверхвысокий вакуум
Метод удаления газа: Улавливание газа
Тип насоса: Сухой

Насосы для сублимации титана (сокращенно Ti Sub Pumps) представляют собой испарительные геттерные насосы.Термин «геттер» применяется к любому активному металлу, который химически реагирует с газами с образованием стабильного нелетучего продукта. Есть два типа газопоглотителей: испаряемые и не испаряемые. Оба используются в качестве устройств увеличения вакуума — они поддерживают или улучшают уровень вакуума, достигаемый каким-либо другим насосным механизмом высокого вакуума или сверхвысокого вакуума.

В титановых сублимационных насосах используется многократное испарение тонкой пленки для поддержания активности поверхности. Их скорость откачки зависит от площади поверхности геттерной пленки.Титановые насосы H ₂ , O ₂ , N ₂ и H ₂ O хорошо, но не влияют на инертные газы или метан. Он используется от 10 ^-6 Торр до сверхвысокого вакуума для удаления остаточного газа H ₂ , часто в качестве добавки к ионному насосу. Неблагоприятное воздействие пленки Ti на любой электрический изолятор является серьезным недостатком. Здесь используются не испаряющиеся геттерные насосы, например, с геттерными пленками из Zr-Al-Fe.

Характеристики центробежных насосов | Насосы и системы

Насосы обычно делятся на две большие категории — поршневые насосы прямого вытеснения и динамические (центробежные) насосы.В поршневых насосах прямого вытеснения используются механические средства для изменения размера (или перемещения) камеры для жидкости, чтобы заставить жидкость течь. С другой стороны, центробежные насосы передают импульс жидкости за счет вращения рабочих колес, которые погружены в жидкость. Импульс вызывает увеличение давления или расхода на выходе из насоса.

Насосы прямого вытеснения имеют характеристики постоянного крутящего момента, тогда как центробежные насосы демонстрируют характеристики переменного крутящего момента. В этой статье речь пойдет только о центробежных насосах.

Центробежный насос преобразует энергию привода в кинетическую энергию в жидкости, ускоряя жидкость к внешнему краю рабочего колеса. Количество энергии, передаваемой жидкости, соответствует скорости на краю или вершине лопасти рабочего колеса. Чем быстрее вращается крыльчатка или чем больше крыльчатка, тем выше скорость жидкости на конце лопасти и тем больше энергии передается жидкости.

Рисунок 1.Центробежный насос

Характеристики

Создание сопротивления потоку регулирует кинетическую энергию жидкости, выходящей из рабочего колеса. Первое сопротивление создается улиткой (корпусом) насоса, которая улавливает жидкость и замедляет ее. Когда жидкость в корпусе насоса замедляется, часть кинетической энергии преобразуется в энергию давления. Это сопротивление потоку насоса, которое измеряется манометром, прикрепленным к напорной линии.Насос не создает давления, он только создает поток. Давление — это мера сопротивления потоку.

Рис. 2. Представление статического напора, статической высоты всасывания и полного статического напора

Напор — сопротивление потоку

В ньютоновских (истинных) жидкостях (невязких жидкостях, таких как вода или бензин) термин «напор» означает измерение кинетической энергии, создаваемой центробежным насосом.Представьте себе трубу, стреляющую струей воды прямо в воздух. Высота, которой достигает вода, — это голова. Напор измеряет высоту столба жидкости, который насос может создать в результате кинетической энергии, которую центробежный насос передает жидкости. Основная причина использования напора вместо давления для измерения энергии центробежного насоса заключается в том, что давление от насоса изменится, если удельный вес (вес) жидкости изменится, но напор не изменится. Конечные пользователи всегда могут описать работу насоса с любой ньютоновской жидкостью, будь то тяжелая (серная кислота) или легкая (бензин), используя напор.Напор связан со скоростью, которую набирает жидкость при прохождении через насос.

Все формы энергии, задействованные в системе потока жидкости, могут быть выражены в футах жидкости. Сумма этих напоров определяет общий напор системы или работу, которую насос должен выполнять в системе. В этом разделе определены различные типы напора — трение, скорость и давление.

Фрикционная головка (h _f )

Головка трения — это головка, необходимая для преодоления сопротивления потоку в трубе и фитингах.Это зависит от размера, состояния и типа трубы; количество и тип трубопроводной арматуры; скорость потока; и характер жидкости.

Скоростной напор (h _v )

Напор скорости — это энергия жидкости в результате ее движения с некоторой скоростью (В). Это эквивалентный напор в футах, через который вода должна упасть, чтобы набрать такую ​​же скорость, или, другими словами, напор, необходимый для ускорения воды.Напор скорости можно рассчитать по следующей формуле:

Где:
g = 32,2 фута / сек. ²
V = скорость жидкости в футах / сек.

Напор обычно незначителен и может игнорироваться в большинстве систем с высоким напором. Однако это может иметь большое значение, и его следует учитывать в системах с низким напором.

Напор
Напор необходимо учитывать, когда насосная система либо начинается, либо опорожняется в бак, который находится под давлением, отличным от атмосферного.Давление в таком резервуаре сначала необходимо перевести в футы жидкости. К головке системы необходимо добавить разрежение во всасывающем баке или положительное давление в разгрузочном баке, тогда как положительное давление во всасывающем баке или разрежение в разгрузочном баке будет вычтено. Ниже приводится формула преобразования дюймов ртутного вакуума в футы жидкости:

Различные типы головок комбинируются для создания общего напора системы при любой конкретной скорости потока.Описание в этом разделе относится к этим комбинированным или динамическим головкам применительно к центробежным насосам.

Общая динамическая высота всасывания (h _с )
Полная динамическая высота всасывания — это статическая высота всасывания за вычетом скоростного напора на всасывающем фланце насоса плюс общий напор трения во всасывающей линии. Полная динамическая высота всасывания, определенная при испытании насоса, представляет собой показание манометра на всасывающем фланце, преобразованное в футы жидкости и скорректированное по средней линии насоса, за вычетом скоростного напора в точке крепления манометра.

Общий динамический напор нагнетания (h _d )
Полный динамический напор нагнетания равен статическому напору нагнетания плюс скоростной напор на нагнетательном фланце насоса плюс общий напор трения в нагнетательной линии. Общий динамический напор нагнетания, определенный при испытании насоса, представляет собой показание манометра на нагнетательном фланце, преобразованное в футы жидкости и скорректированное по средней линии насоса, плюс скоростной напор в точке крепления манометра.

Высота всасывания существует, когда источник подачи находится ниже средней линии насоса.Следовательно, статическая высота всасывания — это расстояние по вертикали в футах от центральной линии насоса до свободного уровня перекачиваемой жидкости.

Высота всасывания существует, когда источник подачи находится выше средней линии насоса. Следовательно, статическая всасывающая головка , , , — это вертикальное расстояние в футах от центральной линии насоса до свободного уровня перекачиваемой жидкости.

Статическая нагнетательная головка — это расстояние в футах по вертикали между осевой линией насоса и точкой свободного нагнетания или поверхностью жидкости в напорном резервуаре.

Общий статический напор — это расстояние в футах по вертикали между свободным уровнем источника подачи и точкой свободного слива или свободной поверхностью нагнетаемой жидкости.

Общий напор или общий динамический напор
Общий напор (H) или общий динамический напор (TDH) — это общий динамический напор за вычетом общего динамического напора на всасывании:

TDH = h _d + h _s (с высотой всасывания)
TDH = h _d — h _s (с высотой всасывания)

Мощность

Работа, выполняемая центробежным насосом, зависит от общего напора и веса перекачиваемой жидкости за данный период времени.Производительность насоса в галлонах в минуту и ​​удельный вес жидкости обычно используются в формулах, а не фактический вес жидкости.

Входная мощность насоса или тормозная мощность (л.с.) — это фактическая мощность, передаваемая на вал насоса. Мощность насоса или водяная лошадиная сила (WHP) — это жидкая мощность, передаваемая насосом. Эти два термина определяются следующими формулами:

Считывание кривой производительности насоса

Характеристики насоса, такие как расход, давление, эффективность и тормозная мощность, отображаются графически на кривой насоса.Первое, на что следует обратить внимание, — это размер помпы. Размер насоса 2×3-8 показан в верхней части графика. Цифры 2×3-8 обозначают:

• Выпускное отверстие (выпускное отверстие) составляет 2 дюйма.
• Входное отверстие (всасывающее отверстие) составляет 3 дюйма.
• Рабочее колесо имеет диаметр 8 дюймов.

У некоторых компаний номер может отображаться как 3×2-8. Большее из первых двух чисел — вход. Скорость насоса (об / мин) также показана в верхней части графика и указывает производительность при скорости 3560 об / мин.Вся информация отражает эту рабочую скорость.

Пропускная способность или расход показаны в нижней части кривой. Уровни потока показаны для рабочей скорости 3560 об / мин, но показывают влияние напора, когда выпускное отверстие дросселируется.

Левая часть кривой производительности показывает напор (футы), генерируемый при различных расходах. На графике представлены множественные кривые зависимости расхода от напора (см. Рисунок 3). Каждый из них представляет собой крыльчатку разного (обрезанного) размера.Для этого насоса диапазон рабочих колес составляет от 5,5 до 8,375 дюйма.

Рис. 3. Пример кривой производительности насоса

Кривые КПД накладываются на график (вертикальные линии) и показывают КПД от 64 до 45 процентов для этого насоса. По мере увеличения напора расход и эффективность снижаются.

Тормозная мощность показана пунктирными линиями по диагонали от верхнего левого угла к нижнему правому.Кривые BHP показаны для мощности от 7,5 до 30 лошадиных сил. Используя 8-дюймовую крыльчатку с расходом 250 галлонов в минуту, BHP составляет примерно 25 лошадиных сил.

Законы сродства, применяемые к центробежным насосам

Кривые насоса и системы
Кривая насоса является исключительно функцией физических характеристик насоса. Кривая системы полностью зависит от размера трубы, длины трубы, количества и расположения колен и других факторов.Место пересечения этих двух кривых — естественная рабочая точка (см. Рисунок 4). Здесь давление насоса соответствует потерям в системе, и все уравновешивается.

Рис. 4. Пример кривых насосной системы

Если система является частью процесса, который изменяется часто или непрерывно, то необходим какой-либо метод изменения характеристик насоса или параметров системы. Два метода могут решить задачу непрерывно меняющегося потока.Один из методов — дросселирование, при котором кривая системы изменяется с помощью регулирующего или дроссельного клапана. Другой метод заключается в изменении скорости насоса, что изменяет характеристику насоса.

Система дросселирования
При использовании метода дросселирования препятствие потоку увеличивает напор. Система с двумя различными настройками клапана показана на рисунке 6.

Рисунок 5. Система дросселирования

Рисунок 6.Пример требований к мощности для дроссельной системы

Для сравнения, давайте возьмем пример, чтобы определить требования к мощности для дроссельной системы, а затем для системы переменной скорости. Используется насос (с рабочим колесом 8 дюймов), работающий с базовой скоростью 3560 об / мин. Этот насос предназначен для работы в системе, требующей 250-футового напора при 250 галлонах в минуту (см. Рисунок 6).

Исходя из представленной информации, требования к мощности при расходе системы дросселирования показаны в таблице 1.

Таблица 1. Требования к питанию системы дросселирования

Система переменной скорости
Для сравнения, метод переменной скорости использует преимущество изменения характеристик насоса, которое происходит при изменении скорости рабочего колеса (см. Рисунок 7). Более низкая скорость насоса изменяет характеристику насоса в зависимости от напора, создаваемого скоростью перекачиваемой жидкости. Помните, что напор равен V ² / 2g.

Рисунок 7. Пример системы переменной скорости

Законы сродства
Набор формул, который используется для прогнозирования работы центробежного насоса в любой рабочей точке на основе исходных характеристик насоса, известен как законы сродства.

Где:
N = скорость насоса
Q = расход (галлонов в минуту)
P = давление (футы)
л.с. = лошадиные силы

Используя тот же пример насоса, что и система дросселирования, потребляемая мощность рассчитывается для системы для различных скоростей
(см. Таблицу 2).

Используйте законы сродства, чтобы вычислить значения для остальных рабочих точек. Очевидно, что для изменения скорости требуется гораздо меньше энергии. Чтобы определить фактическую требуемую мощность, необходимо учесть КПД привода. Экономия энергии будет зависеть от количества времени, в течение которого насос работает в каждой точке пониженной скорости.

Чтобы рассчитать фактическую экономию, мощность тормоза необходимо преобразовать в ватты, а затем умножить на количество часов работы. Затем результат умножается на стоимость киловатт-часа, чтобы показать стоимость эксплуатации насоса в каждой точке потока. Вычтите значение переменной скорости из значения дросселирования, чтобы показать разницу в стоимости энергии.

Судя по данным таблицы 2, расход 200 галлонов в минуту при дросселировании требует 22,5 лошадиных сил. Только с переменной скоростью 12.Требуется 8 лошадиных сил. Если расход требуется на 2000 часов в год по 7 центов за киловатт-час, сравнение затрат составит:

Система дросселирования:
22,5 л.с. x 0,746 = 16,785 кВт
16,785 x 2,000 = 33,570 кВтч
33,570 x 0,07 = 2350 долларов США

Система с регулируемой скоростью:
12,8 x 0,746 = 9,5488 кВт
9,5488 x 2,000 = 19097 кВтч
19097 x 0,07 = 1337 долларов США

Экономия:
2350 — 1337 долларов = 1013

Этот пример не имеет связанной с ним статической головки.Система со статическим напором меняет характеристику системы и требования к мощности. Чем больше статический напор в системе, тем меньше возможная экономия энергии. Это связано с тем, что кривая системы более пологая, поэтому большая часть энергии используется для преодоления изменения высоты, связанного с системами с высоким статическим напором.

Заключение

В этой статье показано, как присущий центробежным насосам характер работы делает их главными кандидатами для экономии энергии.Большинство насосных систем спроектированы и имеют завышенный размер для наихудших условий нагрузки. Следуя принципу закона сродства, просто понизив расход центробежного насоса увеличенного размера на 20 процентов, можно снизить энергопотребление примерно на 50 процентов, что приведет к значительной экономии энергии.

Как выбрать мембранный насос

Фила Дэниэлсона

Мембранные насосы — это лишь один из многих типов безмасляных насосов, которые в настоящее время используются во многих приложениях, чтобы избежать проблем загрязнения масляными парами, которые влияют на многие из сегодняшних жестких технологических процессов.Имеющиеся в продаже мембранные насосы не содержат уплотняющих или смазочных масел в насосной головке, и это означает, что вы можете рассчитывать на создание вакуума, в котором остаточные газы полностью не содержат паров масла.

Все вакуумные насосы, безмасляные или безмасляные, имеют разные рабочие характеристики, что делает их полностью пригодными для одного применения и совершенно непригодными для другого. Мембранные насосы не исключение. Подбор типа насоса к применению может быть трудным, но более полное понимание режимов работы с точки зрения сильных и слабых сторон и особенностей может облегчить некоторые из трудностей.

Мембранные насосы попадают в общую категорию поршневых насосов прямого вытеснения. Все насосы этой категории улавливают аликвоту газа в объеме, а затем сжимают газ, сокращая объем некоторыми механическими средствами, чтобы вытеснить газ. Затем объем увеличивается механически, чтобы позволить большему количеству газа войти перед повторением цикла.

В мембранном насосе перекачиваемый объем изменяется путем перемещения гибкой диафрагмы вверх и вниз для создания цикла расширения / сжатия.Эти насосы оснащены простыми впускными и выпускными заслонками или пластинчатыми клапанами, изготовленными из гибких материалов, которые работают от перепада давления, чтобы открывать и закрывать их по мере необходимости для создания перекачивающего действия. Один цикл откачки можно довольно просто описать в терминах движения диафрагмы.

Ход вниз

Гибкая диафрагма опускается, что приводит к увеличению объема внутреннего пространства головки насоса. Расширение объема вызывает падение давления внутри головки насоса; и

1. Давление во внутреннем объеме головки насоса становится меньше, чем давление на входе, а давление на выходе составляет
2. Более высокое давление на входе заставляет впускной заслоночный клапан открываться,
3. Более высокое давление на выхлопе удерживает выпускную заслонку закрытой,
4. Более высокое давление на входе выталкивает газ из входа через впускной клапан в объем головки насоса.

Ход вверх

Гибкая диафрагма выдвигается вверх, что приводит к уменьшению объема внутреннего пространства головки насоса. Это сокращение объема вызывает сжатие газа, что приводит к увеличению давления внутри головки насоса; и

1. Давление внутри внутреннего пространства головки насоса выше, чем давление на входе и давление на выходе,
2. Более высокое давление внутри внутреннего пространства головки насоса удерживает впускной клапан закрытым,
3. Более высокое давление во внутреннем пространстве головки насоса приводит к открытию выпускного клапана,
4. Более высокое давление во внутреннем пространстве головки насоса выталкивает газ через выпускной клапан и из насоса.

Это описание одинарного насоса можно рассматривать только как репрезентативное представление всех мембранных насосов с точки зрения принципа действия. Помимо этого упрощенного представления, существуют широкие вариации в конструкции, которые необходимо учитывать при подборе конкретного насоса к конкретному применению.

Очевидно, что предельно достижимый уровень вакуума является важным рабочим параметром. В продаже имеются насосы, которые производят ультимативные значения в диапазоне от нескольких сотен торр до 10-4 торр.Один из методов достижения более низких пределов — это последовательная установка насосных головок. Например, насос с одной головкой, который перекрывает давление 500 торр, может создавать давление отключения 100 торр, если две головки одной и той же конструкции расположены последовательно. Любая одиночная насосная головка сможет обеспечить только определенную степень сжатия между давлением на входе и выходе.

Когда вторая головка добавляется последовательно, одна головка поддерживает другую, снижая давление между головками и позволяя головке, ближайшей к камере, создавать более низкое давление в камере, даже если ее степень сжатия такая же, как и у головки, ближайшей к камере. Атмосфера.

Если измерительные трубки установлены между головками многоступенчатого насоса, незаметные скачки давления между головками, которые показывают все более и более высокие давления по мере продвижения к последней ступени, прежде чем можно будет легко наблюдать атмосферное давление. Хотя нет теоретических пределов того, насколько низкое давление на входе может быть достигнуто путем последовательного включения ступенчатых головок, существует ряд практических проблем и ограничений, с которыми нужно бороться при проектировании рабочего насоса.

Конструкция заслонки клапана может существенно повлиять на предельное давление многоступенчатого насоса.Поскольку впускные и выпускные клапаны открываются и закрываются из-за перепада давления, они должны быть достаточно гибкими, чтобы работать при небольших перепадах давления. Тонкие и гибкие металлические полосы будут продолжать работать при давлениях до десятков торр, но обычно перестают работать при более низких давлениях. Для более низких давлений обычно требуются клапаны из эластомера.

Вакуумные уплотнения могут быть еще одной проблемой, которую необходимо решить. Мембрана из эластомера не только удерживается вокруг ее внешнего диаметра, чтобы закрепить ее, когда центр перемещается вверх и вниз во время цикла откачки, но то же механическое удерживающее действие должно обеспечивать вакуумное уплотнение.Если учесть сложность изготовления герметичного уплотнения для высокого вакуума с плоской эластомерной прокладкой между двумя плоскими фланцами, проблемы уплотнения становятся более очевидными.

Кроме того, во многих имеющихся в продаже насосах используются уплотнения между головками труб, которые не подходят для уплотнений при низком давлении. Скорость проникновения газов из атмосферы через большую открытую площадь эластомерной диафрагмы также играет важную роль, когда требуются более низкие предельные давления. Следовательно, ни один диафрагменный насос не может считаться герметичным.

Срок службы мембраны также может быть серьезной проблемой.

Любой гибкий материал, который постоянно изгибается, может устать и в какой-то момент выйти из строя. При изготовлении эластомерных диафрагм невозможно избежать случайных слабых мест в листе. Слабое место, очевидно, приведет к преждевременному выходу из строя. Тем не менее, средний срок службы диафрагмы составляет 10 000 часов. Ключ к увеличению времени наработки на отказ — поддержание более низких температур диафрагмы. тепло генерируется внутри насосной головки как за счет тепла сжатия перекачиваемых газов, так и за счет механического тепла, генерируемого приводным механизмом насоса.Тепло вызовет как физические, так и химические изменения в эластомерном материале и вызовет разрушение.

Поскольку диафрагма подвергается воздействию тепла, ее необходимо каким-либо образом удалить. При высоких давлениях, когда через насос проходит довольно большой поток газа, тепло от тепла сжатия уносится количеством газа, проходящего через насос. При низком давлении теплота сжатия меньше, и проблема возникает только при механическом образовании тепла. Основная проблема тепла возникает при промежуточных давлениях, когда теплота сжатия все еще довольно высока, но поток газа слишком мал, чтобы унести все тепло.

Хотя многие насосы имеют двигатели с воздушным охлаждением, которые обеспечивают некоторый поток воздуха через мембрану со стороны атмосферного давления, тепло накапливается в массе самих головок насоса. Это тепло необходимо отводить, чтобы избежать чрезмерного теплового воздействия на диафрагму. Дополнительный поток воздуха над головами обеспечит достаточный теплообмен, но воздействия неподвижного воздуха недостаточно. Наилучшие результаты дает дополнительное охлаждение с помощью вентилятора, особенно в канальном исполнении, при котором охлаждающий воздух перемещается непосредственно вокруг и над поверхностью насосных головок.

Скорость откачки в диафрагменных насосах регулируется общим объемом (рабочим объемом) внутреннего объема насосной головки и циклической скоростью циклов расширения / сжатия. Это накладывает ограничение на скорость откачки в том смысле, что циклическая скорость может быть только настолько высокой в ​​практической механической системе, и что диаметр диафрагмы может быть только таким большим. Ограничения скорости откачки для одной головки можно преодолеть путем параллельной работы нескольких головок, чтобы общая скорость добавлялась к сумме скорости каждой головки.Таким образом, смеси последовательно включенных и параллельных головок могут быть объединены для получения более высокой скорости откачки и более низкого предельного давления в одно и то же время.

Перекачивание газа или газовых смесей является важным фактором для всех вакуумных насосов. Газовые смеси, содержащие конденсируемые газы, такие как водяной пар или растворители, могут привести к их конденсации где-то внутри насоса. Эта проблема характерна для всех поршневых насосов прямого вытеснения, включая механические насосы с масляным уплотнением. Количество возникающей конденсации зависит как от количества конденсируемых газов в перекачиваемом газе, например, влажности, так и от способа работы насоса.

Например, большой насос, откачивающий воду из маленькой камеры при высокой нагрузке, будет иметь тенденцию к накоплению конденсата внутри нее. Это связано с тем, что количество газа, проходящего через насос за цикл, недостаточно велико для физического вымывания конденсированного материала. Хорошим примером может быть большой насос на небольшом замке нагрузки. Добавление газобалластного клапана для пропускания небольшого количества газа через впускное отверстие насоса или иногда «отрыжка» насоса, позволяя полный поток газа при атмосферном давлении в течение нескольких минут, обычно очищает конденсированный материал.

Другие проблемы с газом приводят к перекачке легких газов, которые эффективно сжимаются, но могут легко диффундировать обратно. В этом можно убедиться, направив небольшой поток гелия на выхлоп многоступенчатого насоса. Почти мгновенный и резкий рост давления можно определить по манометру на входе. Небольшой поток газового балласта может постоянно выводить легкие газы из насоса. Следует категорически избегать использования ядовитых, взрывоопасных или ядовитых газов. Никакой диафрагменный насос не герметичен, поэтому утечки в атмосферу возможны.Еще более важным соображением является то, что диафрагма может выйти из строя и выпустить газы в любой момент. Газы, содержащие частицы, также представляют собой проблему, поскольку они могут накапливаться в насосе и вызывать чрезмерный износ диафрагмы.

Еще одно последнее соображение — нефть. Замена насоса с масляным уплотнением на безмасляный мембранный насос без очистки линии перекачки вызовет конденсацию масла в насосе и вызовет проблемы с клапанами, которые требуют очистки насоса.

Повторный запуск диафрагменного насоса после выключения или отключения электроэнергии часто может быть проблемой.Некоторые насосы будут оставаться под вакуумом, а другие будут медленно выпускать воздух обратно через насос в этих условиях. Кроме того, насос с двумя или более ступенями часто улавливает вакуум внутри одной из насосных головок и делает повторный запуск практически невозможным, когда на входе имеется разрежение. Это приводит к перегреву двигателя и повреждению двигателя и диафрагмы из-за чрезмерного нагрева. Таким образом, наличие соленоидного клапана на входе является несомненным преимуществом, чтобы гарантировать, что в камере сохраняется вакуум.Затем можно установить соленоидный клапан непосредственно перед первой нагнетательной головкой, чтобы пропустить полный поток атмосферного воздуха через насос и обеспечить легкий повторный запуск. Лучше всего использовать таймеры, чтобы на короткое время выпустить поток перед закрытием, а затем открыть впускной клапан. Эта последовательность также имеет то преимущество, что вымывает конденсированные жидкости.

Мембранные насосы со встроенной системой клапанов имеются в продаже, но любой насос можно модифицировать, чтобы включить их.

могут успешно применяться во многих областях применения чистого вакуума, но они должны применяться в правильных областях применения.Знание и понимание принципов работы насоса позволит сделать правильный выбор в соответствии с конкретным применением.

Перепечатано с разрешения журнала R&D, , все права защищены. Copyright 2000.
Деловая информация Cahners. Более короткая версия появилась в R&D Magazine, ноябрь 2000 г.