Розанов Вакуумная техника 1990 (1248470), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Взаимодействие откачиваемого газа с паровой струей зависит от степени вакуума. При низком вакууме молекулы, находящиеся в пограничном с паровой струей слое, за счет внутреийего трения увлекают другие слои газа. Такие насосы называют э ж е к т о р н ы м и. В области высокого вакуума все молекулы откачиваемого газа, перемещаясь за счет самодиффузии, непосредственно взаимодействуют с движущейся струей пара, а насосы, работающие в таких условиях, называют диффузионными.
Рассмотрим принцип действия эжекторного насоса. Быстрота действия насоса при заданных значениях давлений на входе в насос ре и иа выходе из насоса рь а также производительности рабочего пара О~ определяется по 1В,-диаграмме рабочего пара, Кривая АВ на рис. 4.31, а определяет давление насыщенного пара рабочей жидкости. Из пав чального состояния в кипятиль- Г нике (точка 1 на кривой АВ, пад давление рь сечение 1 на схеме сопла) рабочий пар адиабатически расширяется и переходит в состояние (точка 2), соответствующее давлению ра струи рабочего пара в откачиваемом объ.
Ог,р а) 32 Рис, 431, 1бмдиаграмма-рабочего пара (а), схема и рабочие характеристики сопла ажекториого пасоса (б) екте (сечеиие 2). Адиабатические процессы на 1Я;диаграмме соответствуют прямым линиям, параллельным оси 1. Закон сохранения энергии для адиабатического истечения газа, при котором работа расширения газа равна приращению его кинетической энергии, можно записать в виде Ог(12 12)=Огм~~)2 (4.31) 2 2 2 (О (О) 4 2 2 (4.32) где гп4 — скорость смеси в сечении 4 (рис. 4.31, б). В диффузоре, расположенном между сечениями 4 и 5, парогазовая смесь адиабатически сжимается до давления рь причем точка 5, соответствующая сечению 5, должна лежать на кривой АВ. Это можно использовать для нахождения точки 4 графическим построением. В процессе аднабатического сжатия кинетическая энергия струи переходит в энтальпию, что позволяет записать (О, + О,) о ',12 = (О, + О,) (1, — 14), (4.33) где 14 и 12 — энтальпии в точках 4 и 5.
Из уравнений (4.31)...(4.33) можно найти выражение для теоРетической быстроты действия насоса: сг2 с11(71 — )2 12+)4) (4,34) гг 12 (12 — )4) 103 где го2 — скорость паровой струи на выходе из сопла в сечении 2. Откачиваемый газ (для простоты считаем, что откачиваются пары рабочей жидкости) находится в состоянии, соответствующем точке и сечению 3. Смешение потока откачиваемого газа О2 с паровой струей по закону сохранения энергии приведет к изменению скорости: где рн — плотность газа в сечении 2; 1~ и 1з — энтальпии в точках 1 и 2, быстрота действия насоса зависит от производительности сопла и свойств рабочего пара, В эжекторных насосах она лежит в диапазоне от нескольких десятков до нескольких тысяч литров в секунду.
Максимальное выпускное давление не может быть больше р~— давления рабочего пара в кипятильнике насоса, поэтому в случае паромасляного насоса оно не превышает (1 ... 5) 10' Па, а для парортутного — (20 ...40) 10н Па. Увеличить максимальное выпускное давление паромасляного насоса нельзя, так как температура пара в кипятильнике ограничивается температурой разложения масла. В парортутных насосах возможно повышение максимального выпускного давления до атмосферного, но из-за больших потерь и токсичности ртути этого обычно не делают. Предельным остаточным давлением эжекторного насоса является давление перехода из среднего в высокий вакуум, когда происходит расширение паровой струи и нарушение оптимального режима работы, Значение предельного давления составляет 10 '...10-з Па.
Размеры сопла можно найти, задаваясь значением его производительности 6~ по рабочему пару. Подставляя критическое отношение давлений в (3.46), получим выражение для максимальной производительно- сти сопла (4.35) где р~ — давление пара в кипятильнике; У~ — удельный объем пара в кипятильнике; А'ннн — минимальное сечение сопла. Из (4.35) можно найти минимальное сечение сопла: А', =- ! нан (4.36) Выходное сечение сверхзвукового сопла Аз' можно найти из уравнения (4.31) с учетом того, что ыз=р~Уз/Аз' (Уз — удельный объем пара на выходе из сопла): А;= У'йр,— =Кн) ' Прн истечении струи пара в высокий вакуум происходит ее расширение за счет тепловых скоростей молекул.
При равенстве ско- 104 Газ рости истечения струи н скорости звука струя выходит из соп- ( л,~ ла под углом 45' к его оси (рис. 4,32). Давление пара в струе значительно больше, чем давле- ( ние откачиваемого газа. Наилуч- ~(а„1х) шне условия для захвата моле- х кул откачиваемого газа обеспечиваются тогда, когда давление пара в струе соответствует средне- х му вакууму. При этом все моле- х кулы откачиваемого газа проникают в паровую струю при пер Рнс.
4.32. Сонно днффузнонного вом соударении. При большей плотности паровой струи вероятность захвата молекул снижается. Теоретическая быстрота действия диффузионного насоса в связи с малым количеством откачнваемого газа определяется не изменением термодинамических характеристик паровой струи, как в эжекторном насосе, а геометрическими размерами сопла и парциальным давлением откачиваемого газа в паровой струе: (4.37) и где А — проекция поверхности паровой струи, доступной для молекул откачиваемого газа, на плоскость, перпендикулярную оси х; )ун~ и унн — количество молекул откачиваемого газа, ударяющихся н вылетающих в единицу времени с единицы площади А; и — концентрация газа у входа в насос. В соответствии с выражениями для Ф, из (1.13) н п,р из (1.18) формулу для быстроты действия насоса (4.3?) можно переписать: Яг=А ' "~~ (я Р~Т вЂ” и„)'7'„); (4.38) 4п здесь Т и Т, — температура газа в паровой струе и у входа в насос; пг — концентрация газа в паровой струе.
Так как п4п=рн„7р, то Я,-( — )'" ~/ — 'А (1- —" ~/ — "' ) . и 39) Таким образом, быстрота действия диффузионного насоса зависит от температуры и рода газа, прн этом тяжелые молекулы откачиваются с меньшей быстротой действия. Реальная быстрота действия оказывается меньше теоретического значения, рассчитанного из (4.39), из-за неполного захвата молекул откачиваемого газа паРовой струей. Это связано с наличием у струи «паровой опушки», появляющейся в результате потока молекул пара, имеющих тепловые скорости больше, чем скорость паровой струи. 105 Если ввести коэффициент захвата струи Нс, то выражение для расчета быстроты действия может быть записано в следующем виде: Бк=НоБт= Оо~,/ — А ( 1 — — 1/' — "~ ° (440) / /1Г ( 22пр 22 Гг ) 2„М ~ ~ — т" ~.
Среднее значение коэффициента захвата Нож0,3. Для определения коэффициента компрессии и предельного давления рассмотрим более подробно процессы, происходящие в паровой струе диффузионного насоса, Концентрацию газа в точке х паровой струи обозначим и,(х) (рис. 4.32), а составляющую скорости паровой струи по направлению оси х — через В'. Производительность откачки равна разности прямого и обратного потоков: Я=О.
— Я.ь, ГДЕ С2п иг(Х)йу/ ЯЕ=О "; Ю вЂ” КОЭффИцИЕНт дИффуЗИИ дл„(х) дх газа н струе пара. Прямой поток молекул откачиваемого газа в диффузионном насосе движется за счет соударений молекул газа и пара совместно с паровой струей, а обратный возникает за счет теплового движения молекул, диффундирующих в противоположном направлении. Если достигнуто предельное давление, то 9= 0, откуда и„(х) Ю' — В " =О. (4.41) дх Считая, что газ в струе пара подчиняется уравнению газового состояния, получим дпг(х) др„(х) (4.42) Проинтегрировав выражение (4.41) с учетом (4.42) в пределах от х2 до хз и от р, до р,, имеем 1п — = — (х — х ).
2'2 2 1 ' Обозначая длину паровой струи 5=(хз — х2), перепишем полученное выражение в виде р,/р, =ехр(ЮЪ/0). Таким образом, коэффициент компрессии для заданной геометрии струи определяется отношением проекции скорости паровой струи на ось х к коэффициенту диффузии откачнваемого газа в паровой струе. Для увеличения коэффициента компрессии необходимо повышать скорость паровой струи и увеличивать ее плотность, так как коэффициент диффузии Р обратно пропорционален плотности паровой струи. 106 Р и с.
4.33. Принципиальная схе. ме зжекторного насоса Рис. 4.34. Принципиальная схе- ме диффузионного насоса Рассмотрим конструкции пароструйных насосов. Схема эжекторного насоса показана на рис. 4.33. Насос состоит из кипятильника 1, сверхзвукового зжекторного сопла Лаваля 2, камеры смешения 5, впускного и выпускного фланцев 3 и 4. Камера смешения теплоизолирована от корпуса насоса. На выпускном патрубке имеется холодильник б, охлаждаемый проточной водой. Сконденсировавшийся на стенках холодильника пар стекает в кипятильник по трубке 7, обеспечивающей непрерывную циркуляцию рабочей жидкости в на.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
