ВАКУУМНЫЙ ПАРОСТРУЙНЫЙ НАСОС

Полезная модель относится к вакуумной технике, в частности к вакуумным пароструйным насосам, и может быть использована для вакуумирования емкостей, например, вакуумных камер, электронно-лучевых сварочных пушек и пр.
Известен вакуумный пароструйный насос, содержащий охлаждаемый корпус с кипятильником в нижней его части и осевым паропроводом. Паропровод в нижней части выполнен со щелевыми соплами и установлен на подшипниках качения с возможностью вращения. Кипятильник отделен от полости корпуса насоса сдвоенной крышкой.
(см. авторское свидетельство СССР №566242, кл. F04F 9/00, 1977 г.)
В результате анализа данной конструкции насоса необходимо отметить, что ее существенным недостатком является невысокое быстродействие и, как следствие, большие потери рабочей мощности.
Известен вакуумный пароструйный насос, состоящий из разъемного корпуса с входным и выходным патрубками.
В нижней части корпуса размещен электрический нагреватель, предназначенный для нагрева помещенной в котел рабочей жидкости.
В корпусе насоса по его оси вертикально установлен стержень, а также смонтированы паропровод третьей ступени с соплом, паропровод второй ступени с соплом и с размещенным в нем усеченным конусом с диафрагмой и отверстием, диффузор, в котором расположен дополнительный цилиндрический паропровод с симметрично расположенными относительно оси паропровода третьей ступени отверстиями.
Над диффузором расположен установленный на стержне экран, образующий с диффузором кольцевой зазор, а над экраном размещена профилированная насадка, обращенная вершиной к входному патрубку и установленная относительно верхней поверхности экрана с зазором. Насос также оснащен системой охлаждения, выполненной в виде нескольких емкостей, через которые при работе насоса прокачивается охлаждающий агент (например, вода).
(см. патент РФ №2106541, кл. F04F 9/00, 1998 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения данного насоса необходимо отметить, что он обладает невысокой производительностью, так как его конструкция не позволяет эффективно регулировать обратный парогазовый поток, что снижает скорость откачки из-за дополнительных завихрений на пути откачиваемого воздуха из рабочего объема насоса.
Техническим результатом, достигаемым настоящей полезной моделью, является повышение производительности работы насоса за счет обеспечения регулирования движения паров рабочей жидкости по паропроводу насоса, а также равномерного распределения массы паров рабочей жидкости между всеми ступенями струй насоса и практически полной ликвидации выбросов углеводородных составляющих рабочей жидкости в откачиваемый объем.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в вакуумном пароструйном насосе, содержащем корпус с входным и выходным парубками, размещенный в нижней части корпуса нагревательный котел для рабочей парообразующей жидкости, последовательно установленные в корпусе один над другим паропроводы третьей ступени и второй ступени с выходными соплами, установленный над паропроводом второй ступени диффузор, в котором размещен цилиндрический паропровод с отверстиями по его образующей, установленный на закрепленном в корпусе стержне экран, образующий сопло с верхним срезом диффузора, а сверху на экране установлена профилированная насадка в виде усеченного конуса, новым является то, что насадка имеет возможность настроечного осевого перемещения и фиксации относительно экрана и выполнена из материала, обладающего большей теплопроводностью по сравнению с материалом котла, при этом, насадка может быть установлена на экране посредством осевого отверстия, которым она надета на стрежень, закрепленный на экране, причем конец стержня выполнен резьбовым для фиксирующей насадку гайки, а между насадкой и экраном помещено как минимум, одно регулировочное кольцо.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлен вакуумный пароструйный насос, осевой разрез.
Вакуумный пароструйный насос состоит из разъемного корпуса 1 преимущественно цилиндрической формы, с входным патрубком 2 в верхней его части и выходным патрубком 3.
В нижней части корпуса 1 размещен электрический нагреватель 4, предназначенный для нагрева помещенной в котел 5 рабочей жидкости 6.
В корпусе 1 по его оси вертикально установлен стержень 7, а также размещен паропровод 8 третьей ступени с соплом 9, над ним расположен паропровод 10 второй ступени с соплом 11. В паропроводе второй ступени размещена обечайка 12, имеющая форму усеченного конуса с диафрагмой 13 на его меньшем основании и отверстием 14 на образующей конической поверхности. Над второй ступенью расположен состыкованный с обечайкой диффузор 15, в котором расположен паропровод 16 цилиндрический формы с отверстиями 17 по его образующей. Обечайка 12 и паропровод 16 могут быть выполнены в виде единой детали.
Над диффузором 15 размещен экран 18, установленный на верхнем торце паропровода 16. Экран выполнен в виде диска с загнутой вниз его периферийной частью 19, которая образует с верхним срезом диффузора сопло 20 первой ступени. Экран 18 установлен на стержне 7. На верхней плоскости экрана на оси (позицией не обозначена) установлена профилированная насадка 21, имеющая форму усеченного конуса, направленного вершиной в сторону входного патрубка 2. Между профилированной насадкой 21 экраном 18 размещено регулировочное кольцо (кольца) 22.
Δ
Для установки на ось насадка 21 имеет осевое отверстие, в котором выполнена проточка 23, предназначенная для размещения гаек 24, накручиваемых на резьбовой конец оси при фиксации насадки 21. Профилированная насадка 21 установлена относительно верхней поверхности экрана с зазором S и имеет возможность осевого настроечного перемещения и фиксации в заданном положении на оси, которое определяется количеством и размерами регулировочных колец 22.
Насадка 21 выполнена из материала с большей теплопроводностью, по сравнению с материалом, из которого выполнен котел 5. Для выполнения данного условия в качестве материала насадки может быть использован, например, материал АМг6, а в качестве материала котла, например, материал 12Х18Н10Т.
Насос также снабжен системой охлаждения, выполненной в виде емкостей 25, через которые в процессе работы насоса циркулирует охлаждающий агент (например, вода).
В нерабочем состоянии насоса патрубок 2 закрыт заглушкой 26.
Вакуумный пароструйный насос работает следующим образом.
Снимают заглушку 26 и входной патрубок 2 через затвор, предназначенный для герметизации рабочей полости (не показан) присоединяют к вакуумируемому герметичному объему (не показан), а патрубок 3 - к форвакуумному насосу (не показан). В котел 5 заливают рабочую жидкость 6. Включают форвакуумный насос и производят одновременную предварительную откачку насоса и откачиваемого объема, после чего включают электрический нагреватель 4 и систему охлаждения для обеспечения циркуляции охлаждающего агента через емкости 25.
Разогревают рабочую жидкость 6 (например, вакуумное масло ВМ-1) до превращения ее в пар, который в начальный момент движется по паропроводу 8 третьей ступени, при этом часть пара через сопло 9 попадает во внутренний объем насоса. Часть пара через паропровод 10 второй ступени через сопло 11 также выводится во внутренний объем насоса. Оставшаяся часть парового потока через отверстие 14 диафрагмы 13 попадает в паропровод 16 и через симметрично расположенные на нем отверстия 17 и сопло 20 поступает в полость корпуса 1 насоса. Часть парового потока конденсируется на внутренних холодных стенках корпуса насоса и стекает в котел 5, а откачиваемый газ перемешивается струей пара и удаляется из насоса через патрубок 3 форвакуумным насосом.
Δ
Δ
За счет того, что профилированная насадка 21 установлена относительно экрана 18 посредством регулировочных колец 22 с заданным зазором S, обеспечивается оптимальное регулирование тепломассообмена между днищем котла и экраном 18, а так как насадка 21 выполнена из материала имеющего большую теплопроводность, по сравнению с материалом котла, то затраты энергии на разогрев насадки значительно меньше чем потери энергии, затрачиваемой на нагрев верхней части корпуса насоса. При этом зазор S, который регулируется кольцами 22, способствует созданию минимального температурного градиента между днищем котла и экраном 18, что в свою очередь способствует повышению производительности насоса.
Так как профилированная насадка 21 представляет собой усеченный конус (который в процессе работы насоса обдувается потоком воздуха откачиваемого из вакуумируемого объема), то на основании действия законов аэродинамики и газовой динамики (см., например, С.И.Исаев «Основы термодинамики, газовой динамики и теплопередачи», Москва «Машиностроение», 1968 г., стр.120), происходит скачкообразное изменение параметров газового потока (возникает «скачок» уплотнения), благодаря которому примерно на вершине 27 угла усеченного конуса насадки 21 образуется тонкая молекулярная сфера, представляющая собой форму «раскрытого зонтика» 28. Обратный паровой поток отражается от молекулярного уплотнения 28 и возвращается назад во внутренний объем насоса. Тем самым повышается степень защиты рабочего объема технологической камеры.
В то же время, «скачок» уплотнения уменьшает потери рабочей жидкости, которая циркулирует по замкнутому циклу, превращаясь в пар, а затем снова в жидкость. Рабочая жидкость стекает со стенок насоса назад в котел с минимальными потерями общей своей массы, что значительно увеличивает продолжительность эксплуатации насоса без добавки рабочей жидкости. Практически исключено попадание рабочей жидкости в откачиваемый объем, так как этому препятствует образованный «скачок» уплотнения.
2
Сравнительные испытания разработанной конструкции насоса проводились с аналогами - насосами фирм «Эдвардс» и «Алкатель» имеющими диаметр входного отверстия 80 мм (Ду 80). Испытания проводились по исследованию параметра - обратный парогазовый поток (мг/сммин).
-9
2
-6
2
-6
2
Испытания показали, что у разработанного насоса, зафиксировано снижение обратного потока до 10 мг/сммин, что значительно лучше, нежели у аналогов (у насоса фирмы «Эдвардс - 10 мг/сммин., а у насоса фирмы «Алкатель» - 10мг/сммин.).
Насос стабильно работал как внутри вакуумного объема, так и вне его.
Кольца между насадкой и экраном предназначены также для уменьшения потери тепловой энергии, идущей на нагрев стенок насоса в верхней части его корпуса и стабилизации температурного градиента между насадкой и котлом насоса, что приводит к повышению производительности работы насоса, так как масса насадки значительно меньше массы корпуса насоса.
Насадка выполняется конической формы, чтобы внутри корпуса насоса обеспечить получение «скачка» уплотнения. Динамика получения данного уплотнения аналогична его получению при полете снаряда. Разница лишь в том, что в предложенной конструкции насадка неподвижна, а двигаются молекулы откачиваемого воздуха, то есть, реализуется аналогичный эффект. Уплотнение представляет собой сгусток молекул среды, в которой он образуется. Данное уплотнение присутствует при всем цикле работы насоса и является «препятствием» для молекул рабочей жидкости, двигающейся из внутреннего объема рабочей камеры. Место расположения уплотнения - на вершине усеченного конуса.
Молекулы рабочей жидкости, отражаясь от внешнего контура уплотнения, конденсируются на холодных стенках насоса, откуда стекают в котел насоса, где снова превращаются в пар.
Насос обладает высокой производительностью, прост и надежен в эксплуатации, так как не требует точной юстировки, в его конструкции отсутствуют высокооборотные детали. Удобен при обслуживании и в ремонте, энергоемок.