Большая энциклопедия техники
Шрифт:
Газобалластное устройство и откачка конденсирующихся паров. Проведение многих вакуумных технологических процессов (сушка, пропитка, дистилляция) сопровождается выделением значительных количеств конденсирующихся паров, откачка которых обычным насосом с масляным уплотнением еще 40—50 лет тому назад была очень трудной задачей. Если в логарифмическом масштабе показать изменение давления газа и паров в камере насоса по мере увеличения степени сжатия, то получится следующее: = VВС / VСЖ , где VВС – объем рабочей камеры насоса в момент на конец всасывания, а VСЖ – объем рабочей камеры в момент сжатия при давлении вып = 1,2 x 105 Па, когда открывается выхлопной клапан. Пусть давление во впускном сечении насоса составляет 1,33 x 102 Па. При сжатии газа давление возрастает до вып, клапан открывается и газ выталкивается из насоса.
Иначе обстоит дело при откачке конденсирующихся
Наиболее часто встречается необходимость в откачке паров воды. Вода, попавшая в масло, помимо образования трудноразделимой эмульсии масло – вода, вызывает целый ряд химических взаимодействий, ведущих к ухудшению смазывания, перегреву и осмолению насоса, не говоря уже о повышении предельного остаточного давления и коррозии отдельных деталей насоса.
Эффективным способом предотвращения конденсации паров в насосе является напуск так называемого балластного газа в камеру насоса в добавление к поступившему в нее пару после отделения камеры от впускного патрубка насоса. В качестве балластного газа обычно используется атмосферный воздух, поступающий в камеру через отдельное отверстие с обратным клапаном, связанное с краном-дозатором трубкой или отверстием в корпусе. Устройство для напуска балластного газа называют газобалластным, насос с таким устройством – газобалластным насосом. Практически все насосы выпускаются сейчас с газобалластным устройством.
В камере газобалластного насоса сжимается смесь паров с балластным газом, причем количество балластного газа определяется из условия, чтобы к моменту достижения смесью давления выхлопа парциальное давление паров не достигало давления насыщения. То есть чтобы выполнялись условия б + (г + п) V/VСЖ больше либо равно вып, а Vрс /VСЖ меньше либо равно нас, где б – давление сжатого балластного газа; г – давление газа во входном сечении насоса; п – давление пара во входном сечении насоса; нас – давление насыщенного пара при рабочей температуре насоса; вып – выпускное давление насоса; Vpc – объем рабочей камеры в момент «конец всасывания»; Vсж – объем рабочей камеры в момент «конец сжатия».
Условие справедливо при изотермическом процессе сжатия в насосе, что не совсем строго для реального насоса, но позволяет легко определить поток балластного газа Q'б, необходимый для предотвращения конденсации. В случае откачки только конденсируемых паров (рг примерно равно 0) формула упрощается: Q'б больше либо равно SнPП (Рвып/Рнас– 1). Уравнение показывает, что поток балластного газа Q'6 должен быть тем больше, чем больше быстрота действия Sн насоса, давление пара Рп во входном сечении и чем меньше давление насыщенных паров (т. е. температура масла в насосе). Отметим, что если давление насыщенных паров Рнас численно равно выпускному давлению Рвып, насос не требует балластного газа для предотвращения конденсации. Например, насос со специальным маслом, работающий при температуре примерно 380 К, способен откачивать пары воды без напуска балластного газа. Допустимое давление паров воды на входе является паспортной характеристикой газобалластного насоса. Другой важной характеристикой газобалластного насоса является количество (масса) паров, которое он откачивает в единицу времени при заданном давлении паров на входе, т. е. массовая производительность М'п насоса по откачиваемому пару. Ее легко подсчитать, представив уравнение состояния для откачиваемой в единицу времени порции пара в виде РП SН = М'П/M R0T, где М – молекулярная масса пара; Sн – быстрота действия насоса, л/с; Рп– давление пара на впуске, Па; R0 – 8,3 x 103
Дж/(К x кмоль) – универсальная газовая постоянная; Т – температура пара, К. Для паров воды (М = 18) при Т = 293 К массовая производительность насоса определяется формулой, кг/ч:М'П = 2,67 – 10– 5 SНPП .
Формулы справедливы, конечно, только в том случае, если масло при откачке не загрязняется конденсатом, т. е. предельное остаточное давление насоса по откачиваемым парам = 0. В противном случае, если масло загрязняется конденсатом (например, из-за недостаточной подачи балластного газа или из-за родства откачиваемых паров и масла, когда пары растворяются в масле), предельное остаточное давление насоса по откачиваемым парам пост не равно 0 и наблюдается уменьшение массовой производительности насоса по парам, что может быть учтено, если в формулы вместо п представить (п – пост). Следует иметь в виду, что газобалластные насосы весьма эффективны при откачке паров воды, но при откачке паров, растворяющихся в масле из паровой фалы (например, пары бензина, бензола), их эффективность снижается, о чем можно судить по снижению массовой производительности в сравнении с расчетным значением. Пример: определить допустимое давление паров воды для газобалластного насоса с быстротой действия 6 л/с при потоке балластного газа Q'б = 40 м3 x Па/с, выпускном давлении вып = 1,2 – 105 Па и температурах масла 60, 70 и 80 °С.
Находим давление насыщенных паров при указанных температурах Р60 = 2 – 104 Па, Р70 = 3,2 – 104 Па, Р80 = 4,8 – 104 Па, и по формуле находим допустимые давления паров воды Р пдоп соответственно 1,33 x 103; 2,42 x 103 и 4,45 x 103 Па. Поток балластного газа может регулироваться с помощью крана-дозатора.
В двухступенчатых насосах напуск балластного газа, как правило, производится только в выхлопную ступень, так как в первой высоковакуумной ступени сжатия или не происходит, или его недостаточно для конденсации паров. Ввиду того что балластный газ все же перетекает через механизм насоса на сторону всасывания, предельное остаточное давление одноступенчатых насосов увеличивается примерно до 102 Па. Предельное остаточное давление двухступенчатых насосов при работе с балластным газом увеличивается до 1—10 Па в зависимости от конструкции и степени износа механизма. При работе газобалластного насоса из выпускного патрубка выходит парогазовая смесь, содержащая насыщенные пары при температуре насоса 333 К и выше. По мере движения по выпускному трубопроводу, стенки которого имеют комнатную температуру, пар конденсируется на них и конденсат может стекать обратно в насос, особенно если выпускной трубопровод имеет длинные вертикальные участки. В таких случаях в трубопроводе около насоса размещают отделитель конденсата. Если пары, выделяющиеся в откачиваемом сосуде, имеют высокую температуру и могут конденсироваться на стенках впускного трубопровода, на входе насоса должен быть установлен отделитель конденсата аналогичной конструкции, так как попадание, например, капель воды приводит к образованию эмульсии в механизме насоса.
При очень высоком впускном давлении паров (свыше 4 x 103 – 5,3 x 103 Па) используются водоохлаждаемые конденсаторы. Давление паров на выходе конденсатора не превышает допустимого значения для газобалластного насоса. Во избежание конденсации паров в камере самого насоса корпус должен быть прогрет до рабочей температуры масла перед началом откачки паров. Для этого насос включают примерно за час до начала откачки и при закрытом впускном патрубке дают работать с полным напуском балластного газа.
Практические указания по эксплуатации. К каждому насосу прилагается достаточно подробная инструкция по эксплуатации, однако ввиду широкого применения насосов с масляным уплотнением полезно запомнить несколько общих правил их эксплуатации.
Небольшие насосы с быстротой действия до 3—5 л/с часто не закрепляются на фундаменте, а устанавливаются прямо на полу. При этом рекомендуется ставить насос в неглубокий металлический противень (на случай течи масла) и подкладывать под него резиновый лист для уменьшения шума. Металлическая цельнотянутая труба в качестве вакуумной коммуникации всегда предпочтительней резинового шланга, так как вследствие газовыделения резины может быть затруднено получение низких давлений. Между насосом и откачиваемым сосудом должен быть предусмотрен компенсатор вибрации, в качестве которого может быть использован кусок вакуумного резинового шланга. При использовании коротких кусков резинового шланга для соединения металлических труб следует насколько возможно сближать торцы труб.
Средние и крупные насосы обычно устанавливаются на фундаменте, впускной патрубок соединяется с магистралью откачки с помощью сильфона или другого гибкого элемента для компенсации вибраций. Перед присоединением к вакуумной системе полезно проверить создаваемое насосом полное остаточное давление при работе «на себя», т. е. с заглушкой на впускном патрубке, к которой присоединен манометрический преобразователь. Попадание твердых предметов в рабочую камеру приводит к поломке насоса, поэтому входной патрубок насоса, отсоединенного от вакуумной системы, должен быть тщательно закрыт. Особое внимание при эксплуатации должно быть обращено на сохранение качества и количества залитого в насос масла.
Не следует без особой необходимости допускать работу насоса при высоких впускных давлениях во время откачки сосуда от атмосферного давления, так как это может привести к уносу капель масла с выхлопными газами; поэтому желательно дросселировать поток газа, не полностью открывая кран на входе насоса.
Если насос не обеспечивает необходимого предельного остаточного давления, причины этого должны находиться и устраняться в следующем порядке:
1) недостаток масла в насосе – следует долить масло;