Насосы вакуумные поверхностные

Насосы вакуумные поверхностные: принцип действия, классификация, применение и выбор

Поверхностные вакуумные насосы представляют собой класс вакуумных машин, у которых откачивающий элемент (рабочая камера) отделен от откачиваемого объема вакуумными трубопроводами и арматурой. В отличие от погружных насосов, они не контактируют напрямую с откачиваемой средой, что обеспечивает защиту механизмов от агрессивных газов, паров, пыли и позволяет создавать вакуум в удаленных или труднодоступных объемах. Основная функция – удаление газов и паров из замкнутого объема для создания, поддержания и контроля разрежения (вакуума).

Принцип действия и физические основы

Работа поверхностного вакуумного насоса основана на физическом или физико-химическом процессе удаления молекул газа из откачиваемого объема. Ключевыми параметрами являются:

• Предельное остаточное давление (Предельный вакуум): Минимальное давление, которое насос может создать в герметичном объеме, измеряемое в Па, мбар, Торр (мм рт. ст.).
• Производительность (скорость откачки): Объем газа, удаляемый насосом в единицу времени при определенном давлении (л/с, м³/ч, куб. фут/мин – CFM). Зависит от давления; указывается в виде кривой производительности.
• Наибольшее выпускное давление: Максимальное давление на выходе насоса, при котором он сохраняет работоспособность.

Процесс откачки нелинеен: на начальном этапе (при атмосферном и форвакуумном давлениях) удаляется большая масса газа, а при низких давлениях – остаточные газы, включая сорбированные и растворенные.

Классификация и типы поверхностных вакуумных насосов

Классификация осуществляется по принципу действия, конструкции и создаваемому диапазону давлений.

1. Объемные (механические) насосы

Работают по принципу периодического изменения объема рабочей камеры, что приводит к всасыванию, изоляции и выталкиванию газа.

• Пластинчато-роторные (масляные и безмасляные): Наиболее распространенный тип. Ротор с подвижными пластинами эксцентрично расположен в статоре. Масляные версии обеспечивают лучший вакуум (до 10⁻³ мбар) за счет смазки и уплотнения зазоров. Безмасляные (сухие) используют графитовые или композитные пластины, предельный вакуум ~1-0.1 мбар.
• Водокольцевые насосы: Используют рабочую жидкость (обычно воду) для создания уплотняющего кольца и перемещения газа. Откачивают влажные, загрязненные, взрывоопасные среды. Предельный вакуум ограничен давлением насыщенных паров жидкости (при 15°C для воды ~17 мбар).
• Поршневые и диафрагменные насосы: Диафрагменные – полностью безмасляные, используются для откачки чистых и агрессивных газов в лабораторных условиях. Имеют невысокую производительность.

2. Струйные (эжекторные) насосы

Используют кинетическую энергию рабочей струи (пара, газа или жидкости) для увлечения молекул откачиваемого газа. Не имеют движущихся частей.

• Пароэжекторные насосы: Многоступенчатые системы, способные создавать вакуум до 10⁻³ мбар. Требуют большого расхода пара и охлаждающей воды. Применяются в химической и пищевой промышленности.
• Водоструйные и жидкостно-кольцевые эжекторы: Часто используются как предварительные ступени или для откачки парогазовых смесей.

3. Молекулярные насосы

Работают в высоком и сверхвысоком вакууме. Молекулы газа приобретают направленное движение за счет взаимодействия с высокоскоростными вращающимися поверхностями.

• Турбомолекулярные насосы: Имеют роторы с лопатками, вращающиеся с частотой до 90 000 об/мин. Обеспечивают чистый безмасляный вакуум до 10⁻¹⁰ мбар. Требуют форвакуумной ступени.
• Диффузионные и паромасляные насосы: Устаревший тип, где рабочее масло, нагреваемое до кипения, создает направленный паромасляный поток, увлекающий молекулы газа. Требуют охлаждения и предварительного вакуума.

Сравнительная таблица основных типов насосов

Тип насоса	Диапазон рабочего давления	Предельный вакуум	Ключевые особенности	Типовые области применения
Пластинчато-роторный масляный	Атмосфера – 10⁻³ мбар	10⁻³ – 10⁻⁴ мбар	Высокая производительность, требует техобслуживания, риск обратного выброса масла	Вакуумная упаковка, литье, вакуумные печи, лаборатория
Пластинчато-роторный сухой (безмасляный)	Атмосфера – 0.1 мбар	1 – 0.1 мбар	Чистая откачка, низкие эксплуатационные расходы, повышенный нагрев и шум	Фармацевтика, пищевая пром., электронная пром., солнечная энергетика
Водокольцевой	Атмосфера – 30 мбар	~10-30 мбар (зависит от t° воды)	Устойчив к загрязнениям, влажному газу, простая конструкция, требует подачи воды	Химическая пром., дегазация, вакуумная фильтрация, бумажная пром.
Пароэжекторный	100 – 10⁻³ мбар	10⁻³ мбар	Нет движущихся частей, высокая надежность, большой расход пара и воды	Дистилляция, выпаривание, кристаллизация в хим. пром.
Турбомолекулярный	10⁻² – 10⁻¹⁰ мбар	10⁻⁹ – 10⁻¹¹ мбар	Чистый высокий вакуум, высокая скорость, требует предварительного насоса	Нанотехнологии, исследования, полупроводниковое производство, ускорители

Критерии выбора поверхностного вакуумного насоса

Выбор осуществляется на основе комплексного анализа технологических требований.

• Требуемый рабочий вакуум и производительность: Анализ кривой скорости откачки насоса в нужном диапазоне давлений. Необходим запас по производительности 20-30%.
• Характер откачиваемой среды:
  • Чистые, сухие газы: подходят сухие пластинчато-роторные, турбомолекулярные.
  • Агрессивные газы/пары: насосы с химической стойкостью (диафрагменные, специальные сухие, водокольцевые с инертными жидкостями).
  • Парогазовые смеси, взвеси: водокольцевые, струйные насосы.
  • Стерильные условия: безмасляные насосы.
• Эксплуатационные требования: Наличие и качество водоснабжения (для водокольцевых), пара (для эжекторов), электрической сети. Уровень шума, вибрации, тепловыделения.
• Экономическая эффективность: Учитываются капитальные затраты, стоимость монтажа, энергопотребление, расход рабочих жидкостей (масла, воды), затраты на техобслуживание и ремонт.

Схемы подключения и вспомогательное оборудование

Правильная обвязка насоса критична для его эффективной и долговечной работы.

• Вакуумные трубопроводы: Диаметр должен быть не меньше всасывающего патрубка насоса. Предпочтение отдается коротким прямым линиям. Материал – нержавеющая сталь, медь, специализированные пластмассы.
• Запорная и защитная арматура: Обратные клапаны для предотвращения попадания масла или атмосферного воздуха в вакуумную систему при остановке. Запорные заслонки или краны для изоляции насоса. Предохранительные клапаны.
• Ловушки и фильтры:
  • Маслоотделители и масляные фильтры – для пластинчато-роторных насосов.
  • Холодные ловушки (криогенные) и сорбционные ловушки – для улавливания паров перед высоковакуумными насосами.
  • Пылевые и аэрозольные фильтры – для защиты насоса от твердых частиц.
• Вакуумметрическое оборудование: Датчики для измерения давления в различных диапазонах: термопарные (1-10⁻³ Торр), емкостные (10⁻³ – 1000 Торр), ионизационные (10⁻³ – 10⁻¹¹ Торр).

Эксплуатация, техническое обслуживание и диагностика неисправностей

Регламентное ТО продлевает ресурс и сохраняет параметры насоса.

• Масляные насосы: Регулярная замена масла и масляных фильтров. Контроль цвета и вязкости масла. Промывка при попадании агрессивных сред. Замена пластин и уплотнений по мере износа.
• Сухие насосы: Очистка внутренних полостей от отложений. Контроль состояния и замена графитовых пластин и уплотнительных элементов. Проверка и обслуживание системы принудительного охлаждения.
• Водокольцевые насосы: Контроль качества и расхода рабочей жидкости. Промывка от отложений. Контроль износа рабочего колеса и корпуса.

Таблица диагностики типовых неисправностей

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем принципиально отличается сухой вакуумный насос от масляного?

Сухой (безмасляный) насос осуществляет откачку без использования рабочей жидкости в рабочей камере. Уплотнение зазоров и отвод тепла обеспечиваются прецизионными допусками и материалами пластин (часто графитовыми), а также принудительным воздушным охлаждением. Это исключает риск загрязнения системы парами масла и упрощает утилизацию отходов. Масляный насос использует вакуумное масло для смазки, уплотнения и отвода тепла, что позволяет достигать более высокого вакуума, но требует регулярной замены масла и установки фильтров и ловушек.

Когда необходимо использовать двухступенчатую схему откачки?

Двухступенчатая схема (форвакуумная + высоковакуумная ступень) применяется в двух случаях: 1) Когда один насос не может обеспечить весь необходимый диапазон давлений от атмосферы до высокого вакуума (например, турбомолекулярный насос не может работать при атмосферном давлении и требует «поддержки» пластинчато-роторного). 2) Для увеличения общей производительности системы, когда на первой ступени (форвакуумный насос) удаляется основная масса газа, а высоковакуумный насос обеспечивает быстрое достижение низкого давления.

Как правильно подобрать диаметр вакуумного трубопровода?

Диаметр трубопровода должен обеспечивать проводимость, соизмеримую со скоростью откачки насоса на рабочем давлении. Эмпирическое правило: проводимость трубопровода должна быть не менее чем в 2-3 раза выше скорости откачки насоса в данном сечении. На практике диаметр всасывающего патрубка насоса является минимально допустимым. Увеличение диаметра и сокращение длины трубопровода всегда повышает эффективность системы. Для высоковакуумных систем (ниже 10⁻³ мбар) критично использование труб с гладкой внутренней поверхностью и минимальным количеством соединений.

Какие меры необходимы для откачки конденсирующихся паров (водяных, растворителей)?

Откачка паров требует предотвращения их конденсации внутри насоса, что приводит к смешиванию с маслом (эмульсии) и коррозии. Основные методы: 1) Использование насосов, допускающих попадание паров (водокольцевые, паромасляные эжекторы). 2) Применение конденсаторов (холодильных ловушек) перед входом в насос для осаждения паров. 3) Использование газобалластного устройства на масляных пластинчато-роторных насосах. Газобалласт подмешивает небольшое количество воздуха в камеру сжатия, что позволяет вытолкнуть пары до их конденсации, однако ухудшает предельный вакуум.

Что такое газобалласт и для чего он нужен?

Газобалласт – это клапанное устройство в масляных объемных насосах, позволяющее подмешивать в камеру сжатия (перед закрытием впускного клапана) небольшое количество атмосферного воздуха или инертного газа. Это повышает давление в камере в момент сжатия, в результате чего пароконденсирующиеся пары (например, водяные) выталкиваются через выпускной клапан, не успев сконденсироваться и смешаться с маслом. При включенном газобалласте предельный вакуум насоса ухудшается, но сохраняется чистота масла.

Заключение

Выбор и эксплуатация поверхностного вакуумного насоса являются комплексной инженерной задачей, требующей учета технологических параметров (давление, среда), экономических факторов и условий эксплуатации. Современный рынок предлагает решения от традиционных масляных и водокольцевых насосов до высокотехнологичных сухих и турбомолекулярных агрегатов. Ключом к надежной и долговечной работе системы является правильный подбор насоса под конкретную задачу, грамотный монтаж с использованием соответствующей арматуры и фильтров, а также строгое соблюдение регламентов технического обслуживания. Понимание принципов работы и особенностей каждого типа насоса позволяет оптимизировать вакуумные процессы в энергетике, промышленности и научных исследованиях.