Насосы вакуумные одноступенчатые
Насосы вакуумные одноступенчатые: принцип действия, конструкция, применение и выбор
Одноступенчатый вакуумный насос – это устройство, предназначенное для создания разрежения (вакуума) в замкнутом объеме за один цикл сжатия газа. Основной принцип работы заключается в механическом удалении газовой среды из вакуумной камеры с последующим ее выбросом в атмосферу или следующую ступень. Ключевой характеристикой является достижение предельного остаточного давления, определяемого конструктивными особенностями и качеством уплотнений, обычно в диапазоне от 10-2 до 2 мбар (от 1 до 2000 Па).
Принцип действия и основные типы конструкций
Работа одноступенчатого вакуумного насоса основана на циклическом изменении объема рабочей камеры. Всасывание происходит при увеличении объема, а нагнетание – при его уменьшении. Существует несколько доминирующих типов конструкций, каждый из которых имеет специфические области применения.
Пластинчато-роторные насосы (маслозаполненные)
Наиболее распространенный тип. В корпусе статора эксцентрично расположен ротор с радиальными пазами, в которых свободно перемещаются пластины (лопатки). При вращении ротора центробежная сила прижимает пластины к стенкам статора, образуя несколько изолированных камер переменного объема. Газ поступает через впускной патрубок, сжимается и выталкивается через выпускной клапан, погруженный в масло. Масло выполняет несколько функций: смазка, уплотнение зазоров и отвод тепла.
- Преимущества: Высокая производительность, относительно низкая стоимость, надежность.
- Недостатки: Риск попадания масла в вакуумную систему (контаминация), необходимость обслуживания масляной системы.
- Преимущества: Отсутствие контакта металлических деталей, простота конструкции, устойчивость к загрязненным и влажным газовым средам, возможность откачки агрессивных газов (при использовании соответствующей жидкости).
- Недостатки: Более высокий предельный вакуум (определяется давлением паров рабочей жидкости), необходимость системы подачи и очистки жидкости, более низкий КПД.
- Преимущества: Абсолютная чистота откачиваемой среды, отсутствие смазки, простота, компактность.
- Недостатки: Ограниченная производительность и глубина вакуума, ресурс мембраны.
- Преимущества: Высокая чистота процесса, хорошая производительность, возможность откачки парогазовых смесей, низкий уровень вибрации.
- Недостатки: Высокая стоимость, чувствительность к абразивным частицам, необходимость точного температурного контроля для сохранения рабочих зазоров.
- Химическая и нефтегазовая промышленность: Вакуумная дистилляция, дегазация жидкостей, вакуумная фильтрация, транспортировка летучих веществ. Водокольцевые насосы незаменимы для работы со взрывоопасными и агрессивными средами.
- Металлургия и металлообработка: Вакуумная дегазация металлов, вакуумные печи (термообработка, плавка), напыление покрытий. Применяются маслозаполненные и сухие винтовые насосы.
- Пищевая промышленность: Вакуумная упаковка, деаэрация продуктов, вакуумное охлаждение, лиофилизация (сушка). Требуется чистота, часто используются сухие насосы.
- Энергетика: Поддержание вакуума в конденсаторах паровых турбин (преимущественно водокольцевые и струйно-эжекторные системы, где одноступенчатый насос является частью системы), деаэрация питательной воды, вакуумная изоляция.
- Медицина и фармацевтика: Стерилизация, производство лекарств, лабораторные исследования. Критичны чистота и надежность (мембранные, сухие винтовые).
- Деревообработка: Вакуумные захваты и прессы в станках с ЧПУ.
- Для маслозаполненных пластинчато-роторных насосов: Контроль уровня и состояния масла (регулярная замена), замена масляного фильтра, проверка и замена воздувого фильтра на входе, контроль состояния выхлопного фильтра, замена пластин (лопаток) при повышенном шуме и падении производительности.
- Для водокольцевых насосов: Контроль качества и расхода рабочей жидкости, предотвращение образования накипи, проверка износа рабочего колеса и корпуса, контроль осевых зазоров.
- Для сухих винтовых насосов: Контроль температурного режима, проверка зазоров между роторами и корпусом, замена подшипников и торцевых уплотнений, очистка внутренних полостей от отложений.
- ln(Pнач / Pраб), где Pнач – начальное давление (обычно 101325 Па). Полученное значение необходимо сравнить с кривой производительности насоса при давлении Pраб. Также критически важно учитывать газовыделение из материалов, возможные утечки и суммарную проводимость трубопроводов, которая снижает эффективную скорость откачки у входа в вакуумную камеру.
Водокольцевые насосы
Рабочее колесо с лопатками расположено эксцентрично в цилиндрическом корпусе, частично заполненном рабочей жидкостью (обычно водой). При вращении колеса жидкость под действием центробежной силы образует у стенок корпуса подвижное кольцо. Объем между лопатками, жидкостью и корпусом изменяется, осуществляя всасывание, сжатие и нагнетание газа. Сжатие является изотермическим.
Мембранные насосы
Вакуум создается за счет колебаний гибкой мембраны, приводимой в действие кривошипно-шатунным или пневматическим механизмом. Клапаны на впуске и выпуске обеспечивают однонаправленный поток газа. Полностью сухой принцип работы.
Винтовые насосы (сухие, безмасляные)
Два соосных винта (ротора) с многозаходной спиралью, вращающиеся в противоположных направлениях без контакта друг с другом и корпусом. Газ перемещается вдоль оси от всасывающего патрубка к нагнетательному. Зазоры между роторами и корпусом минимальны, что позволяет работать без смазки в рабочей камере.
Ключевые технические характеристики и параметры выбора
Выбор одноступенчатого вакуумного насоса осуществляется на основе анализа следующих параметров.
| Параметр | Описание | Единицы измерения | Влияющие факторы |
|---|---|---|---|
| Предельное остаточное давление | Минимальное абсолютное давление, которое насос может создать на входе при закрытом всасывающем патрубке. | мбар, Па, Торр (мм рт. ст.) | Тип насоса, качество уплотнений, свойства рабочей жидкости (для водокольцевых и маслозаполненных), обратный поток через зазоры. |
| Производительность (скорость откачки) | Объем газа, удаляемый насосом в единицу времени при определенном входном давлении. | м3/ч, л/мин, л/с | Частота вращения, объем рабочей камеры, потери на перетечки. Зависит от давления (приводится в виде кривой производительности). |
| Мощность потребления | Электрическая мощность, потребляемая приводом насоса. | кВт | Производительность, перепад давлений, КПД механической и электрической части. |
| Допустимое давление запуска | Максимальное давление на входе, при котором насос может быть запущен без перегрузки привода. | бар (абс.) | Конструкция привода и пусковые характеристики двигателя. |
| Температура выхлопа | Температура газовой среды на выходе из насоса. | °C | Степень сжатия, тип насоса, эффективность охлаждения. |
Области применения в промышленности и энергетике
Эксплуатация, обслуживание и устранение неисправностей
Бесперебойная работа насоса зависит от соблюдения регламента технического обслуживания.
Типовые операции технического обслуживания:
| Симптом | Возможная причина | Метод устранения |
|---|---|---|
| Не достигается требуемый вакуум | Утечки в системе; износ пластин/лопаток; загрязненное или несоответствующее масло (для масляных насосов); недостаточный уровень рабочей жидкости (для водокольцевых); неисправность обратного клапана на входе. | Проверка герметичности системы; замена изношенных деталей; замена масла/жидкости; регулировка уровня; проверка и очистка клапана. |
| Падение производительности | Загрязнение входного фильтра; засорение внутренних полостей; износ деталей; падение частоты вращения двигателя. | Замена/очистка фильтра; разборка и очистка насоса; ревизия и ремонт; проверка напряжения и состояния привода. |
| Повышенный шум и вибрация | Износ подшипников; поломка или сильный износ пластин (лопаток); кавитация в водокольцевом насосе; попадание твердых частиц. | Замена подшипников; замена пластин; повышение давления подачи жидкости/снижение температуры; установка фильтров на входе. |
| Перегрев насоса | Недостаточное охлаждение; работа при высоком впускном давлении; повышенное трение из-за износа; неверная вязкость масла. | Проверить систему охлаждения; проверить соответствие режима работы паспортным данным; выполнить ревизию; заменить масло. |
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем принципиально отличается одноступенчатый насос от двухступенчатого?
Одноступенчатый насос осуществляет сжатие газа от входного до атмосферного давления за один цикл. Двухступенчатый насос имеет две последовательные камеры сжатия. Газ предварительно сжимается в первой ступени, затем поступает во вторую, где дожимается до атмосферного давления. Это позволяет достичь более низкого предельного остаточного давления (на 1-2 порядка ниже, до 10-3 мбар) и снизить нагрузку на каждую ступень, уменьшив перегрев и износ.
Когда необходимо использовать сухой (безмасляный) насос, а когда маслозаполненный?
Выбор определяется требованиями к чистоте процесса. Сухие насосы (винтовые, мембранные, поршневые с сухими уплотнениями) применяются там, где даже следы паров масла недопустимы: фармацевтика, пищевая промышленность, полупроводниковое производство, аналитическое оборудование. Маслозаполненные насосы (пластинчато-роторные) используются в задачах, где допустима некоторая контаминация, и важны высокая производительность, глубина вакуума и стоимость: металлообработка, общее промышленное вакуумирование, упаковка.
Как правильно подобрать производительность насоса для конкретной вакуумной системы?
Производительность выбирается на основе расчета. Необходимо знать объем откачиваемой емкости (V, м3), требуемое время откачки от атмосферного давления до рабочего давления (t, с) и желаемое рабочее давление (Pраб, Па). Упрощенный расчет эффективной скорости откачки Sэф (м3/с) можно выполнить по формуле: Sэф = (V / t)
Какие меры необходимо принять при откачке конденсирующихся паров (водяного пара, растворителей)?
Откачка паров, способных конденсироваться при сжатии в насосе, является сложной задачей. В маслозаполненных насосах конденсат смешивается с маслом, вызывая его эмульсификацию и потерю свойств. Для решения применяют:
1. Газовый балласт. В конструкцию насоса встроен клапан, подающий в камеру сжатия небольшое количество атмосферного воздуха (балластный газ). Это повышает давление конденсации паров, позволяя выбросить паровоздушную смесь до того, как пар сконденсируется.
2. Холодные ловушки (конденсаторы) перед насосом. Они конденсируют пары до попадания в насос.
3. Использование водокольцевых насосов. Они менее чувствительны к влажным средам, так как пар конденсируется в рабочей жидкости.
4. Применение сорбционных или криогенных ловушек.
Как влияет высота над уровнем моря на работу вакуумного насоса?
Работа насоса напрямую зависит от давления на его выходе (нагнетании). С увеличением высоты атмосферное давление падает. Это приводит к следующим эффектам: снижается допустимая степень сжатия насоса, может ухудшиться эффективность выброса газа (особенно для одноступенчатых насосов), падает производительность на высоком вакууме, возможно повышение температуры из-за увеличения работы сжатия. Производители указывают характеристики для условий на уровне моря. При работе на высоте требуется консультация с производителем, возможно, потребуется выбор насоса с запасом или модификация.
Заключение
Одноступенчатые вакуумные насосы представляют собой фундаментальный элемент широкого спектра технологических процессов в энергетике и промышленности. Правильный выбор типа насоса – пластинчато-роторного, водокольцевого, мембранного или винтового – определяется комплексом требований: необходимой глубиной вакуума, производительностью, чистотой процесса, химической совместимостью с откачиваемой средой и экономическими соображениями. Длительная и надежная эксплуатация обеспечивается строгим соблюдением регламентов технического обслуживания, учетом специфики откачиваемых сред (особенно конденсирующихся паров) и условий окружающей среды. Понимание принципов работы, характеристик и ограничений каждого типа насоса позволяет инженерно-техническому персоналу оптимизировать вакуумные системы для повышения эффективности и снижения эксплуатационных затрат.