Диффузионный паромасляный насос

Полезная модель относится к вакуумной технике, а именно к средствам получения высокого вакуума. Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является уменьшение обратного потока паров рабочей жидкости и увеличение наибольшего выпускного давления за счет использования пленки рабочей жидкости оптимальной толщины.
Диффузионный насос - это вакуумный насос, предназначенный для создания высокого вакуума. Диффузионные насосы нашли широкое применение во многих областях науки и техники как надежное и относительно дешевое средство получения высокого вакуума. Этому в большой степени способствовали их основные достоинства: возможность обеспечения большой быстроты действия в достаточно широком диапазоне давлений, способность откачивания различных видов газов, надежность конструкции, отсутствие движущихся частей и простота в эксплуатации.
Известна конструкция диффузионного вакуумного насоса [Патент SU 556244 от 1973.01.08, МПК F04F 9/00(2006.01)]. Диффузионный насос содержит охлаждаемый корпус с паропроводом по оси. Паропровод снабжен соплами, а в нижней его части расположен кипятильник.
В данном диффузионном насосе происходит взрывное кипение рабочей жидкости в большом объеме. При взрывном вскипании жидкости плотность паровой струи изменяется, что приводит к увеличению обратного потока паров рабочей жидкости в откачиваемый объем, в результате происходит загрязнение откачиваемого объема парами рабочей жидкости насоса. Кроме того, данная конструкция приводит к потерям подводимой мощности к кипятильнику вследствие отсутствия тепловой изоляции неохлаждаемой зоны корпуса.
Известна конструкция диффузионного насоса [Патент SU 584102 от 1974.05.16, МПК F04F 9/02(2006.01)], содержащая корпус с верхней охлаждаемой зоной. Диффузионный насос оснащен входным и выпускным патрубками, и содержит размещенный по оси корпуса многоступенчатый паропровод.
В данном диффузионном насосе происходит взрывное кипение рабочей жидкости в большом объеме. При взрывном вскипании жидкости плотность паровой струи изменяется, что приводит к увеличению обратного потока паров рабочей жидкости в откачиваемый объем, в результате происходит загрязнение откачиваемого объема парами рабочей жидкости насоса.
Известна конструкция диффузионного паромасляного насоса, являющаяся прототипом предлагаемой полезной модели, описание которой приводится в работе [Патент SU 1373908 А1 от 1986.09.10, МПК F04F 9/02(2006.01)]. Диффузионный паромасляный насос содержит корпус с днищем, заполненный в нижней части рабочей жидкостью и размещенный в нем пакет лабиринтных колец. С внешней стороны днища зафиксирован нагреватель. По оси корпуса установлен многоступенчатый паропровод с зонтичными соплами. Причем днище снабжено расположенными внутри пакета колец кольцевыми протоками, ступенчато сопряженными между собой с уменьшением толщины днища от периферии к центру, создавая ступенчатую конструкцию днища. Насос содержит входной и выпускной патрубок, гидрозатвор и рубашку охлаждения.
Однако в указанном диффузионном паромасляном насосе происходит взрывное кипение рабочей жидкости в большом объеме. При взрывном вскипании жидкости плотность паровой струи изменяется и приводит к увеличению обратного потока паров рабочей жидкости в откачиваемый объем, что приводит к загрязнению откачиваемого объема парами рабочей жидкости насоса.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является уменьшение обратного потока паров рабочей жидкости и увеличение наибольшего выпускного давления.
Задача достигается тем, что диффузионный паромасляный насос состоит из вертикально установленного цилиндрического корпуса, и зафиксированных в нем входного и выпускного патрубка, многоступенчатого паропровода с зонтичными соплами в центральной части по оси корпуса, гидрозатвора, зафиксированного на внешней стороне днища нагревателя, рубашки охлаждения, и кольцевых протоков, образующихся между пакетом лабиринтных колец ступенчато сопряженными между собой с уменьшением толщины днища от периферии к центру, создавая ступенчатую конструкцию днища, кроме того пакет лабиринтных колец имеет отверстия на высоте  для формирования пленки рабочей жидкости высотой  На фиг. 1 представлен чертеж диффузионного паромасляного насоса, на фиг. 2 изображены графики зависимости коэффициента теплоотдачи от высоты пленки рабочей жидкости при разных тепловых потоках. На фиг. 3 представлены графики изменения давления во времени при разных толщинах пленки.
На чертеже приведен диффузионный паромасляный насос (фиг. 1), состоящий из цилиндрического корпуса (1), днища (2), входного патрубка (11), выпускного патрубка (12), многоступенчатого паропровода (5) с зонтичными соплами (6), нагревателя (7), рубашки охлаждения (8), гидрозатвора (9), кольцевыми протоками (10) с пакетом лабиринтных колец (4), рабочей жидкости (3).
Диффузионный паромасляный насос работает следующим образом (фиг. 1). Предварительно входной патрубок (11) пристыковывается к корпусу соответствующей технологической установки (не указана на чертеже), в которой создается и поддерживается вакуум, заданный технологическим режимом. Затем к выпускному патрубку (12) пристыковывается и включается форвакуумный насос (не указан на чертеже), создающий в выпускном патрубке (12) разряжение, достаточное для работы диффузионного паромасляного насоса. Затем включается нагреватель (7) для нагрева и испарения рабочей жидкости (3). Образовавшиеся пары рабочей жидкости поступают по паропроводам (5) к зонтичным соплам (6), истекают из них с образованием рабочей струи, которая увлекает газы, поступающие во входной патрубок. Затем пары рабочей жидкости конденсируются на стенках корпуса (1), охлаждаемого водой, подающейся в рубашку охлаждения (8). Далее рабочая жидкость (3) стекает вдоль стенки корпуса (1), попадает в кольцевое пространство гидрозатвора (9), после чего перетекает через наружное кольцо пакета (4) и попадает на внешний кольцевой проток (10), где образуется тонкий слой рабочей жидкости (3) и начинается пленочное испарение. Рабочая жидкость (3) попадает на следующие кольцевые протоки (10) только через отверстие в лабиринтном кольце, совершая путь по лабиринту и испаряясь по ходу движения. Ступенчатая конструкция днища (2) с пакетом лабиринтных колец (4), которые имеют отверстия на высоте  для формирования пленки рабочей жидкости высотой
За счет использования пленки рабочей жидкости высотой  увеличивается коэффициент теплоотдачи при испарении/кипении рабочей жидкости, и снижаются пульсаций паровой струи в процессе работы диффузионного паромасляного насоса. На фиг. 2 показано, что использование пленки рабочей жидкости толщиной  (где,  - капиллярная постоянная), по сравнению с более толстыми и более тонкими пленками жидкости, приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в процессе испарения/кипения рабочей жидкости, при высоком критическом тепловом потоке как показано в работе [Влияние высоты слоя на теплообмен и критический тепловой поток при испарении жидкости в условиях низких давлений / В.И. Жуков, А.Н. Павленко, Ю.В. Нагайцева, Д. Вайсе // Теплофизика высоких температур. - 2015. - Т. 53, № 5. - С. 727-734]. Кроме того, на фиг. 3 показано, что использование пленки рабочей жидкости толщиной  имеет меньшие пульсации давления в процессе испарения/кипения.
Таким образом, диффузионный насос, в результате использования лабиринтных колец с отверстиями на высоте  приводит к образованию оптимальной высоты пленки рабочей жидкости  что позволяет уменьшить обратный поток паров рабочей жидкости и увеличить наибольшее выпускное давление.