Пароструйные насосы

Откачивающее действие пароструйного насоса основано на увлечении удаляемого газа струёй пара. В зависимости от скорости и плотности струи и давления газа изменяется как режим истечения струи из сопла, так и механизм захвата удаляемого газа.
Размеры поверхности паровой диафрагмы сопла III ступени определяют скорость откачки насоса; характеристики сопла I ступени определяют давление форвакуума. Указаны также примерные величины скорости откачки S и давления р в различных ступенях. Многоступенчатый диффузионный насос является своего рода реализацией последовательного соединения нескольких диффузионных насосов в общем корпусе. В таком насосе обычно применяются общий испаритель и общий паропровод для питания сопел отдельных ступеней (рис. 2.11). Скорость откачки насосов определяется скоростью откачки первой ступени со стороны входа в насос. 
Зонтичная струя пара захватывает и увлекает молекулы газа, затем пар конденсируется на охлаждаемой стенке насоса, масло, стекая в кипятильник, выделяет газ в область под струёй. Затем рабочая жидкость в кипятильнике вновь испаряется, поднимается по паропроводу, через сопло опять образует струю пара и т. д.,  совершая непрерывный кругооборот. 
Струя пара разделяет области низкого входного давления Р_вх и более высокого выходного давления Р_вых, однако большого перепада давлений струя выдержать не может, поэтому выходной патрубок одной ступени пароструйного насоса должен откачиваться струей пара другой ступени , а после супени I – механическим насосом.
Поскольку все ступени прокачивают один поток газа, их параметры должны удовлетворять условию

где Si, —скорость откачки, а pi — давление для i-й ступени насоса. Например, для пароструйного насоса с быстротой откачки S = 100 л/с при перепаде давлений на нем 10^–2 – 10^–6 торр следует использовать масляно-ротационный насос с S м.н.= 0,1 л/с.
Механизм увлечения газа различен в насосах эжекторных (760 – 10^–1торр), бустерных (10^–1 – 10^–4 торр) и диффузионных (10^–4 – 10^–7 торр). Чем выше давление газа на входе насоса, тем больше должна быть плотность пара в струе. При больших скоростях истечения пара увлечение газа происходит в результате турбулентно-вязкостного перемешивания вихрей пара с частицами газа (эжекторные насосы). С понижением давления и уменьшением расхода пара возрастает роль вязкостного захвата в ламинарную струю (бустерные насосы). При очень низких давлениях, когда свободный пробег молекул газа порядка диаметра насоса, работает только диффузионный механизм проникновения молекул газа в струю пара; плотность струи должна быть малой, а скорость струи — большой для эффективной передачи импульса молекулам газа (диффузионные насосы). При случайном соударении молекул газа со струёй молекулы могут, как отразиться, так и диффундировать в струю из-за разницы входного давления и парциального давления газа в струе. Элементы струи пара насыщаются газом постепенно по мере движения от сопла к стенке.

Рис. 2.11. Схема трехступенчатого диффузионного насоса: 
I — эжекторная ступень; II, III — дифузионные ступени

Давление газа (Р_вых) под струёй больше давления Р_вх над струёй, тем более Р_вых больше давления газа в струе. Поэтому одновременно с диффузией газа сверху в струю происходит вредная диффузия газа снизу в струю. Газ, диффундировавший в струю снизу из области более высокого выходного давления, не выносится вверх, а увлекается струёй вниз и при конденсации пара выделяется обратно в область Р_вых. Поэтому важен малый угол наклона струи к стенке. 
Быстрота откачки диффузионного насоса стремится к верхнему пределу

,                        (2.7)

где А — площадь струи; υ — скорость газа; υ_стр— скорость струи. 
Этот предел тем больше, чем больше скорость струи пара, однако уже при υ_стр = 2υ быстрота откачки достигает 89% максимума, так что не требуются очень большие скорости струи. При υ_стр>>2υ достигается максимальная быстрота откачки идеального диффузионного насоса, равная S = Aυ₀/4. Легко видеть, что этот же результат получают в предположении, что насос откачивает все молекулы, соударяющиеся без отражений с поверхностью его струи. На струю падает в единицу времени Aυмолекул, где υ = nυ₀/4, в единице объема заключено n молекул; следовательно, падающим молекулам соответствует объем Aυ/n, т.е. Aυ₀/4.
В действительности быстрота откачки насоса меньше максимальной. Обычно Z (см. уравнение 2.7) оказывается порядка 0,3–0,4. Эта величина определяется отражением молекул газа от струи, ограниченной пропускной способностью входного патрубка насоса, обратной диффузией и т. д.
Основной характеристикой пароструйных насосов является зависимость быстроты действия от давления на входе в насос (рис. 2.12а). В средней области рабочих давлений быстрота действия постоянна и равна Smax. При приближении рабочего давления к предельному pпр она стремится к нулю из-за наличия обратного потока газов и паров из насоса в откачиваемый объект. При увеличении рабочего давления за верхнюю границу молекулярного режима течения быстрота действия уменьшается в связи со снижением скорости диффузии молекул газа в струю пара и при максимальном входном давлении pз  стремится к нулю.
Предельное давление насоса p_пр при низких давлениях на выходном патрубке pвых (рис. 2.12б) слабо зависит от изменения последнего. Срыв характеристики насоса наступает при равенстве выпускного давления и давления паровой струи, соответствующего давлению p_в. 

Рис. 2.12. Характеристики пароструйных насосов

При увеличении мощности N подогрева насоса за счет увеличения скорости паровой струи быстрота действия вначале возрастает (рис. 2.12в), достигает максимального значения при N_опт, а затем уменьшается из-за увеличения плотности паровой струи. Максимальное выпускное давление насоса pв при увеличении мощности подогрева непрерывно возрастает.
К рабочим жидкостям пароструйных насосов предъявляются следующие требования:
1) минимальная упругость паров при комнатной температуре и максимальная — при рабочей температуре в кипятильнике;
2) стойкость к разложению при нагревании;
3) минимальная способность растворять газы;
4) химическая стойкость по отношению к откачиваемым газам и по отношению к материалам насоса;
5) малая теплота парообразования.
Минимальная упругость паров при комнатной температуре требуется для получения наименьшего предельного давления насоса. Максимальное давление паров при рабочей температуре кипятильника увеличивает выпускное давление насоса и уменьшает требуемую мощность подогревателя. Стойкость к разложению рабочей жидкости при нагревании влияет на срок службы рабочей жидкости и максимальное выпускное давление. Растворимость газов в рабочей жидкости приводит к увеличению обратного потока газов через сопло вместе с паровой струёй. Химическая стойкость определяет срок службы рабочей жидкости и накладывает ограничения на выбор конструкционных материалов насосов. При малой теплоте парообразования требуется меньшая мощность подогревателя насоса.
В качестве рабочей жидкости пароструйных насосов применяются ртуть, минеральные масла, сложные эфиры органических спиртов и кислот, кремнеорганические соединения. Ртуть (Р-1, Р-2) как рабочая жидкость пароструйных насосов имеет следующие достоинства: не окисляется воздухом, однородна по составу и не разлагается при рабочих температурах насоса, растворяет малое количество газов и имеет высокую упругость пара при рабочей температуре в кипятильнике. Недостатки ртути: токсичность, химическая активность по отношению к цветным металлам, высокая упругость паров при комнатной температуре (10^-1 Па).
Минеральные масла для пароструйных насосов (ВМ-1, ВМ-5) получают путем вакуумной дистилляции продуктов переработки нефти. Они характеризуются низкой упругостью пара при комнатной температуре (10^–6 Па), удовлетворительной термостойкостью, но имеют невысокую термоокислительную стойкость и образуют смолистые налеты на внутренних деталях насоса.
Эфиры, применяемые в качестве рабочей жидкости пароструйных насосов, представляют собой продукты синтеза фталевой и себациновой кислот с высшими спиртами, а также полифениловые соединения, состоящие из бензольных радикалов, соединенных в цепи через атомы кислорода. Полифениловые эфиры ПФЭ обладают очень низким давлением паров при комнатной температуре (10^–9 Па) и высокой термоокислительной стойкостью.
Кремнеорганические жидкости для пароструйных насосов (ВКЖ-94, ПФМС-2) — это полисилоксановые полимерные соединения, состоящие из функциональных групп (CH₃)₂SiO. Они обладают высокой термоокислительной стойкостью и достаточно низкой упругостью пара при комнатных температурах (10^–5 Па).
Чаще всего используют в насосах дешевые минеральные масла. Кремнеорганические жидкости употребляются в системах с частым напуском атмосферного воздуха. Эфиры, стоимость которых еще велика, применяются для систем, где требуется получение сверхвысокого вакуума. Ртуть из-за токсичности применяется в пароструйных насосах только для откачки ртутных систем, например ртутных выпрямителей.

Эксплуатация и обслуживание
Диффузионный насос прост по конструкции и при правильной эксплуатации весьма надежен в работе.
Типичная схема вакуумной системы с пароструйным насосом представлена на рис. 2.13.

 
Рис. 2.13. Схема установки с диффузионным насосом:
1 — форвакуумный насос; 2 — напускной клапан; 3 — клапан; 
4 — диффузионный насос; 5 — ловушка; 6 — затвор; 7 — откачиваемый сосуд; 
8 — манометрические преобразователи; 9 — клапан байпасной линии откачки

Обязательными элементами системы являются форвакуумный насос (механический вакуумный насос с масляным уплотнением); напускной клапан 2; клапан 3, соединяющий форвакуумный насос с диффузионным насосом 4; затвор 6 и манометрические преобразователи 8, устанавливаемые на форвакуумной линии и рабочей камере установки, откачиваемый сосуд 7. В большинстве случаев перед затвором располагается ловушка 5 и между затвором и ловушкой (чаще всего в грибковом соединении основания затвора) — манометрические преобразователи. Откачиваемый сосуд связывается с низковакуумным насосом байпасной линией с клапаном 9.
Запуск насоса в работу осуществляется в следующей последовательности. Закрывают затвор над насосом, перекрывают клапан, соединяющий насос с форвакуумным насосом. Включают механический насос, убеждаются в его работоспособности. Открывают клапан, соединяющий его с диффузионным насосом. По известному предельному остаточному давлению механического насоса и давлению, полученному в испытуемом насосе, оценивают герметичность сборки всей системы. При необходимости отыскивают и устраняют течи.
После достижения необходимого предварительного разрежения подают воду для охлаждения корпуса диффузионного насоса и включают нагреватель насоса. Для сохранения в процессе эксплуатации вакуумных характеристик пароструйных насосов важное значение имеет строгое соблюдение правил эксплуатации. К основным правилам эксплуатации пароструйных насосов относятся соблюдение последовательности включения и выключения насоса; поддержание в заданных пределах мощности нагревателя, температуры и расхода охлаждающей воды, а также правильный выбор производительности форвакуумного насоса.
При номинальном расходе и температуре воды на входе в систему охлаждении около 20 °С температура воды на выходе из системы охлаждения на 2–3 °С выше температуры на входе. Эта разница температур практически линейно увеличивается с понижением расхода воды. При температуре воды на входе, равной 20 °С, насос сохраняет работоспособности при снижении расхода воды в 2–3 раза. Однако при этом уже заметно изменяются его вакуумные характеристики. При увеличении температуры охлаждающей воды с 20 до 30 °С предельное остаточное давление возрастает в 2 раза.
В процессе эксплуатации пароструйных насосов могут возникнуть различные аварийные ситуации. Если при этом своевременно принять необходимые меры, то это в значительной степени избавит от неизбежности восстановительных работ на установке. Например, при нарушении герметичности откачиваемого объекта необходимо закрыть затвор и после этого устранить течь. Когда течь будет устранена, после предварительной байпасной откачки рабочей камеры вновь открывают затвор и продолжают работу на установке. Быстрое закрытие затвора часто избавляет от внеочередной промывки насоса и рабочей камеры установки и в том случае, если в систему атмосферный воздух попал в больших количествах. При этом клапан, соединяющий пароструйный насос с форвакуумом, оставляют открытым и не прекращают подачу охлаждающей воды и электропитание нагревателя. После восстановления нормального режима работы и получасовой работы пароструйного насоса „на себя" продолжают работу на установке. При прекращении подачи охлаждающей воды закрывают затвор и обесточивают нагреватель. Если над насосом установлена охлаждаемая ловушка, необходимо ее разморозить. До полного размораживания ловушки и охлаждения насоса нельзя прекращать форвакуумную откачку.
При остановке форвакуумного насоса закрывают клапан, соединяющий пароструйный насос с механическим, и затвор, затем выключают нагреватель пароструйного насоса. При этом рекомендуется увеличить подачу воды для охлаждения пароструйного насоса.