Промышленные вакуумные насосы

Вакуумные насосы: назначение и сфера применения

Работа технологических систем и установок в зонах низкого давления осуществляется с использованием вакуумных насосов различных модификаций. Основные области использования вакуумных насосов:

• химическая и нефтеперерабатывающая индустрия, для перекачивания токсичных, взрывчатых веществ; перегонки и фильтрации в сложном органическом синтезе;
• в производстве радиодеталей, в электротехнике, микроэлектронике;
• в медицине, на фармацевтических предприятиях;
• в полиграфии при сканировании и печати;
• при литье, прессовании, для напыления вакуумными методами;
• в пищевой промышленности при упаковке и хранении продуктов;
• в лабораториях и научно-исследовательских институтах, в ядерной физике  в установках-ускорителях частиц и т.д.

Классифицируют вакуумные насосы в зависимости от типа создаваемого вакуума, конструктивных признаков моделей агрегатов и особенностей их использования.

История создания вакуумных насосов

Создание установок для получения среды с низким давлением стало возможным после измерения атмосферного давления итальянским ученым Торричелли в 1643 г. Через 7 лет немецкий механик Отто фон Герике изобрел вакуумный насос поршневого типа для научных экспериментов и изучения поведения живых организмов в зонах разрежения.

Исследование процессов вакуумирования и создание насосов различных конструкций: (вращательный, диффузионный, молекулярный Вольфганга Геде, криосорбционный Дж. Дьюара и другие) послужило технической базой для изобретения электрических ламп накаливания и открытия явления термоэлектронной эмиссии Эдисоном. Развитие высокотехнологичной техники и приборов привело к созданию вакуумных насосов, использующих разные принципы работы, отличающиеся конструктивно, работающих в разных областях вакуума.

Классификация вакуумных насосов

Вакуумная техника работает в диапазоне давлений от 10⁵ до 10^-12 Па, условно классифицируются следующие области:

• низкий вакуум (форвакуум) –давление в диапазоне от 10⁵ до 10² Па;
• средний вакуум – область давления от 10² до 10^-1 Па;
• высокий вакуум – диапазон давления в пределах 10^-1 …10^-5 Па;
• сверхвысокий вакуум – разрежение менее 10^-5 Па.

В зависимости от глубины создаваемого разрежения насосы классифицируются на форвакуумные (для предварительного вакуумирования), средне- и высоковакуумные. Сверхвысоковакуумные агрегаты используются в сложных научных установках, например, в ядерной физике и молекулярной химии.

Основой процессов создания вакуума могут служить следующие принципы – удаление газа из герметичной системы и связывание молекул газовой среды. По базовому принципу насосы делятся на механические и физико-химические. К первому классу относятся насосы объемного типа, а ко второму – сорбционные, криогенные, молекулярные и другие.

Компания "Мегатехника" предлагает вакуумные насосы следующих конструкций.

Ротационные вакуумные насосы

Насосные агрегаты ротационного типа выпускаются с масляным уплотнением (модификация UVL) и в безмасляном (сухом) варианте – модели UVD. Масляные насосы используются для откачивания газов и паров, предварительно очищенных от механических примесей и сконденсированной влаги. Насосы UVL позволяют получать высокие показатели по вакууму, работают при температуре перемещаемой среды до +40°C, используются в станциях центрального вакуума. Безмасляные насосы UVD предназначены для создания разрежения без загрязнения откачиваемого потока. Основными достоинствами моделей UVD являются: экологичность, компактность и надежность.

Водокольцевые вакуумные насосы

Простота конструкции и возможность работы с загрязненными средами позволяют использовать водокольцевые (жидкостно-кольцевые) насосы в любых областях. Создание разрежения в водокольцевых насосах осуществляется под действием центробежных сил, возникающих в рабочей камере. Рабочей жидкостью агрегата служит вода, в специальных вариантах насосов могут использоваться масло, растворы кислот или щелочей, тосолы. Жидкость, отбрасываемая ротором с лопатками, образует кольцо по отношению к стенкам корпуса.

Устройство и принцип действия водокольцевых насосов

Водокольцевые насосы относятся к объемным насосам механического типа. При  перемещении газового потока от входного патрубка к выходу происходит его сжатие споследующем выталкиванием из насоса. Принципиальная схема водокольцевого насоса приведена на рис.1.

Водокольцевой насос состоит из цилиндрического корпуса (1), в котором эксцентрично расположено рабочее колесо (2) с неподвижно установленными лопаткам и залита рабочая жидкость (4). Насосные агрегаты соединяются с технологическими линиями через входной и нагнетательный патрубки, в которых устанавливаются уплотнительные прокладки, осуществляющие дополнительно очистку поступающего газа.

Рис.1. Принципиальная схема водокольцевого насоса.

При вращении ротора центробежные силы отбрасывают жидкость к поверхности корпуса, между образующемся кольцом и роторными лопатками получаются замкнутые ячейки неодинаковые по объему. Газовый поток через всасывающее окно (3), имеющее наибольший размер, поступает в насос и перемещается к нагнетательному окну (5) в ячейке наименьшего размера. За счет сокращения объема газ сжимается и выталкивается в магистраль через выходной патрубок.

Вращение рабочего колеса насоса происходит непрерывно, поэтому процесс откачивания и очистки газа также является непрерывным.

Достоинства водокольцевых насосов

Преимущества насосов водокольцевого типа:

• надежность и долговечность конструкции;
• простота в обслуживании, отсутствие узлов трения;
• длительная работа без ремонта;
• экономичность;
• универсальность, возможность применения во многих процессах.

К достоинствам конструкции водокольцевых насосов необходимо отнести низкий износ деталей из-за отсутствия соприкосновения их друг с другом. В насосах нет элементов, относящихся к высокоточным, отсутствуют часто требующие замены клапаны и шестерни. Смазка насоса осуществляется за счет рабочей среды, поэтому дополнительные смазочные материалы не требуются.

Водокольцевые вакуумные насосы итальянской фирмы Pompetravaini являются лидерами вакуумной насосной техники и выпускаются в различном исполнении – одноступенчатые TRMB, двухступенчатые TRH. Модели TRMB используются для откачивания потоков с агрессивными газами или содержащих высокие концентрации парообразных веществ. Агрегаты TRH с двумя ступенями эффективны в процессах осушки и фильтрования под вакуумом. Специализированные варианты насосов TRVX и TRSK/TRVK обеспечивают высокую производительность по транспортированию газовых сред, а модели TRVB/TRVA разработаны для установок во взрывозащищенном исполнении. Агрегаты марки TRSK считаются эффективными и недорогими вариантами бюджетной техники. По индивидуальным заказам насосы могут быть изготовлены из специальных материалов и поставляться в различных комплектациях

Пластинчато-роторные вакуумные насосы

Вакуумные насосы пластинчато-роторного типа относятся к механическим агрегатам с объемным сжатием газов и по принципу действия схожи с водокольцевыми насосами. Отличие состоит в том, что вместо жидкостного кольца по стенкам камеры скользят выдвижные лопатки ротора, закрепленного эксцентрично. В зависимости от конструкции и применяемых материалов пластинчато-роторные насосы создают высокий уровень разрежения и обеспечивают широкий предел по производительности.

Описание пластинчато-роторных вакуумных насосов

Пластинчато-роторные насосы состоят из корпуса цилиндрической формы с патрубками входа и выхода. Внутри корпуса находится рабочая камера, в которой вращается ротор с прорезями, выполненными продольно. В прорезях закреплены лопатки, выполненные из чугуна или алюминия. Свободное  перемещение лопаток по прорезям обеспечивается специальными пружинами, а изменение объемов ячеек происходит при вращении эксцентрикового ротора.

Разработаны модификации насосов с масляным уплотнением и безмасляные (сухие) варианты. Герметизация соединений и уменьшение потерь на трение обеспечивается дозированной подачей смазочных масел. Масло устраняет зазоры между корпусом, лопатками и прорезями ротора. Для предотвращения конденсации масляных паров в рабочей зоне предназначено газобалластное устройство. Масляные насосы используются в установках или станциях высокой мощности, безмасляные модели применяются в системах с повышенными требованиями по наличию загрязнений, уровень вакуума и скорость откачивания у насосов безмасляного уплотнения  ниже, чем у масляных.

Устройство и принцип действия пластинчато-роторных насосов

Принцип действия пластинчато-роторного насоса  наглядно представлен на рис.2.

Рис.2 Последовательность рабочих циклов сжатия газа в рабочей камере роторного пластинчатого насоса.

В работе насоса можно выделить четыре последовательных этапа:

1. под действием разрежения газ засасывается в рабочую камеру и перемещается лопатками ротора по объему;
2. рабочая пластина (лопатка) изолирует поступивший поток от входного патрубка, плотное прилегание к внутренней поверхности корпуса обеспечивает пружина, толкающая лопатку от центра к периферии;
3. объем воздушной ячейки уменьшается, воздушный (газовый) поток сжимается, но давление пока недостаточно для открытия выпускного клапана;
4. сжатый газ выходит из рабочей камеры и поступает в магистральную линию; из-за резкого уменьшения объема газовой среды на выходе возможно образование конденсата, для удаления которого используется газобалластное устройство.  

Достоинства пластинчато-роторных насосов:

• простота монтажа и легкость в обслуживании;
• высокая надежность, наличие функции реверса;
• отсутствие вибрации, бесшумность в работе;
• экономичность;
• длительный срок службы.

Эксплуатация и техобслуживание

Сервисное обслуживание масляных моделей насосов заключается в замене масла (1 раз в полгода) и фильтра (1 раз в год), также подлежат замене лопатки, уплотнения и подшипниковые узлы. Сухие насосы имеют пластины из антифрикционного материала, их замена производится через 1-2 года.

Компания "Мегатехника" поставляет двухступенчатые агрегаты серии VRD, которые обеспечивают откачивание воздуха или инертных смесей со скоростью 4- 65м³/ч.

Поршневые вакуумные насосы

Поршневые вакуумные насосы по принципу действия являются механическими агрегатами объемного сжатия, работают в области создания форвакуума (предварительного разрежения). Используются в технологических процессах для откачивания сухих газовых смесей, допускается примесь влаги в капельном виде.

Рис.3 Принципиальная схема поршневого вакуумного насоса.

Вакуумный насос поршневого типа состоит из цилиндрического корпуса с двигающимся поступательно поршнем и клапанов. Периодическое изменение рабочего объема цилиндра при движении поршня приводит к сжатию и перемещению откачиваемой среды, схема процесса показана на рис.3. Конструкция насосов может быть с одной или двумя ступенями, системами водяного или воздушного охлаждения. Простые поршневые насосы, снабженные самодействующими клапанами, создают давление 10³- 10⁴ перемещения поршня не больше 1м/с.

Достоинства и недостатки поршневых насосов

Преимущества поршневых насосов:

• надежность и долговечность;
• простота в эксплуатации;
• возможность быстрого пуска в работу.

Недостатки поршневых вакуумных насосов:

• значительные потери мощности на трение;
• неравномерность откачивания потока;
• большие размеры и масса агрегата;
• отсутствие полной уравновешенности.

Эксплуатация и техобслуживание

При монтаже поршневых насосов особое внимание уделяется прочности крепления техники на фундаменте для предотвращения влияния вибрации. Сервисный уход за агрегатами состоит в своевременной смазке механизма движения поршня, цилиндра, сальниковых уплотнений и распределительного устройства.

Диафрагменные (мембранные) вакуумные насосы

Диафрагменные или мембранные вакуумные насосы относятся к механическим аппаратам объемного типа, перемещающим газо-воздушные среды или потоки жидкости за счет цикличного изменения пространства рабочей зоны. Диафрагменные насосы являются безмасляными моделями и незаменимы в процессах, исключающих загрязнение перекачиваемых продуктов.

Описание диафрагменных (мембранных) насосов

Конструкция насосов диафрагменного типа представляет собой неподвижный металлический корпус, в рабочей камере которого находится основной элемент агрегата – упругая диафрагма или мембрана. Принципиальная схема и порядок действия мембранно-диафрагменного насоса показаны на рис. 4.

В рабочей камере подвижная мембрана соединена поршнем, который соединяет диафрагму с приводным валом посредством кривошипно-шатунного механизма. Насос соединяется с магистральными линиями через входные и выходные патрубки, а регулирование последовательности режимов всасывания и нагнетания осуществляется за счет клапанов.

Рис.4 Принципиальная схема и последовательность действия диафрагменного (мембранного) насоса.

Устройство и принцип действия

Гибкая пластина (мембрана) закреплена по периферии корпуса и плавно изгибается при движении рычажного механизма. При смещении поршня к стороне, противоположной рабочей камеры, происходит возрастание объема рабочего пространства за счет прогибаниядиафрагмы, перемещаемая газо-воздушная среда поступает через входной клапан. В режиме обратного хода штока упругая мембрана смещается к противоположной стене камеры, объем рабочей зоны уменьшается, происходит сжатие смеси и выталкивание через выходной патрубок в систему. Клапан на линии входа автоматически заблокирован.

В стандартном режиме у диафрагменных насосов одна рабочая камера, но выпускаются двухкамерные модели, которые могут подключаться последовательно или параллельно, мощность установки вэтом случае значительно увеличивается.

Достоинства диафрагменных насосов

Основными преимуществами диафрагменных насосов являются:

• надежность и длительный срок службы конструкции за счет минимального количества трущихся деталей;
• удобство в работе, не требуется постоянная смазка, программа технического обслуживания минимальна;
• универсальность и широкая сфера применения;
• плавная и бесшумная работа;
• экологичность.

Эксплуатация и техобслуживание диафрагменных насосов

Вакуумные насосы диафрагменно-мембранного типа имеют высокую степень герметичности, попадание каких-либо примесей внутрь исключено, поэтому насосы применяются в условиях, где требуется повышенная стерильность.

Эффективность и длительный срок службы насосов зависит от типа мембраны, её прочности и упругости. В насосах применяются плоские упругие мембраны, резиновые формованные пластины, наилучшими механическими показателями характеризуются структурированные материалы. Детали, контактирующие с рабочей средой, обладают различной химической стойкостью, поэтому для определенных условий эксплуатации выбирается агрегат в коррозионно-устойчивом исполнении.

Спиральные вакуумные насосы

Во многих современных производствах применяются спиральные вакуумные насосы, работающие в форвакуумной зоне. В качестве аппаратов для линий предварительного разрежения оптимальны в работе с такими высоковакуумными моделями как турбомолекулярные насосы. Спиральные насосы являются сухими (безмасляными) агрегатами.

Устройство и принцип действия спиральных насосов

Конструкция спиральныхнасосов проста, имеет небольшое количество деталей. Принципиальная схема рабочего узла насоса – спирали, дана на рис.5

Рис.5 Принципиальная схема спирального узла.

Описание спирального насоса

Спиральный насос состоит из следующих элементов:

1. Корпус насоса, в котором помещены рабочие узлы аппарата; имеет стенки значительной толщины, чтобы выдерживать высокое давление.
2. Неподвижная спираль, жестко сопряженная с корпусом и не меняет своего положения; через центр проходит нагнетательный канал.
3. Подвижная спираль, движущаяся по вытянутой орбите, при откачке движется относительно неподвижной спирали, эксцентриситет может составлять от 0,05 до 0,5 см, поэтому спирали соприкасаются друг с другом на малых зазорах.
4. Силовой противовес для приведения в равновесие подвижную спираль, у которой головная часть значительно тяжелее, чем ось.
5. Противоповоротное приспособление, предотвращает заклинивание спиральной пары, исключая вращение подвижной детали вокруг своей оси.
6. Эксцентриковый вал для передачи вращения от электродвигателя на подвижную спираль.

Принцип действия спиральных насосов

Основные стадии процесса сжатия рабочего потока в спиральном насосе показаны на рис.6

Рис.6 Основные стадии процесса сжатия в спиральном насосе.

На первом этапе происходит забороткачиваемой среды от периферийной области и перемещение в зоны между спиралями. Далее происходит сжатие потока и транспортирование его к нагнетательному каналу (этапы 2 и 3). Заключительный этап – выброс откачиваемой среды через канал по центру насоса в трубопровод. Далее рабочий цикл повторяется.

Преимущества спиральных насосов

Использование спиральных насосов во многих технологических процессах и в научных лабораториях определяется главными достоинствами агрегатов:

• отсутствие вакуумного смазочного масла в рабочей зоне;
• сильфонный ввод движения между приводом и рабочей камерой;
• высокая скорость откачивания;
• низкая вибрация и бесшумность работы;
• наличие газобалластного клапанного устройства;
•  периодичность сервисного обслуживания имеет продолжительные интервалы;
• Длительный срок эксплуатации.

При работе спиральных насосов не требуется замена масла и не нужны масляные фильтры в линиях.

Эксплуатация и техобслуживание спиральных насосов

Вакуумные насосы спирального типа применяются в следующих областях:

• в медицине в аппаратах искусственного вентилирования легких и установках искусственного дыхания;
• в научных установках для моделирования условий с различной степенью разрежения;
• в биологических экспериментах;
• в производствах микроэлектроники;
• в пищевой промышленности на стадиях упаковки;
• в химической и лакокрасочной промышленности.

Спиральные насосы незаменимы при создании вакуума между линзами в высокоточных объективах электронных микроскопов или в камерах при лазерной резки материалов.

Когтевые вакуумные насосы

Когтевые насосы являются высоковакуумными агрегатами, являются аналогами пластинчато-роторных моделей, но превосходят их по некоторым рабочим характеристикам.

Устройство когтевых вакуумных насосов

Принципиальная схема когтевого вакуумного насоса приведена на рис.7

Рис.7 Устройство и схема работы когтевого насоса.

Когтевой насос состоит из корпуса(7), в котором разнонаправленно вращаются когтевидные кулачки (1) и(2). Благодаря специальному контуру кулачков их вращение происходит при минимальных затратах на трение.Всасывание рабочего потока осуществляется через патрубок (3) и область(4), с последующим перемещением в рабочую камеру.

Вращающиеся кулачки перемещают газовую смесь в зону нагнетания, при этом объем пространства между кулачками постоянно уменьшается и смесь сжимается. При максимальном сжатии происходит открывание выхлопного отверстия (5), КПД при таком сжатии достигается высокого уровня.

Выброс перемещаемого потока производится через выходной патрубок (6). Дополнительно установленный звукопоглощающий кожух (8),выполняет роль охлаждающего устройства и на выходе поток имеет пониженную температуру.

Преимущества когтевых насосов

Основные достоинства когтевых вакуумных насосов определяет применение этих моделей во многих процессах:

• экологичность моделей, отсутствие загрязнений потока на выходе за счет отсутствия масла и графитовых деталей в рабочей камере;
• эффективность и экономичность, обеспечение более высоких эксплуатационных характеристик благодаря форме когтевидных кулачков;
• отсутствие изнашиваемых деталей в рабочей камере, не требуется замены дорогостоящих элементов(например, лопаток);
• плавная регулировка производительности;
• выпускаются модели насосов во взрыво-защищенном исполнении.

Эксплуатация и техобслуживание

Вакуумные насосы когтевого типа используются в технологических системах и установках:

• полиграфические машины для офсетной печати;
• вакуумные печи и муфельные камеры;
• системы осушки и фильтрации;
• линии пневмотранспорта.

Турбомолекулярные вакуумные насосы

Турбомолекулярные насосы работают в области высокого вакуума. Работа агрегата базируется на сочетании действия компрессораосевого типа и принципа молекулярного захвата. Линейная скорость крайних точек  на окружности вращающегося ротора может составлять до 450 м/с, а скорость вращения вала может достигать 10 тыс. – 60 тыс.об/мин. Общий вид турбомолекулярного насоса дан на рис.8, а принцип его работы показан на рис.9.

Рис.8 Общий вид турбомолекулярного насоса

Устройство турбомолекулярного насоса

Существенное влияние на технические и эксплуатационные характеристики агрегатов оказывается строением опорных узлов, которые бывают на магнитах, на газовой подушке или используются подшипниковые узлы.

Рис.9 Принцип работы турбомолекулярного насоса.

Турбомолекулярный насос состоит из корпуса (2), в котором  неподвижные колеса закреплены настаторе (4). Между неподвижными колесными деталями расположены вращающиеся подвижные колеса (3), жестко связанные с ротором (1).конструкция подвижных колес представляет собой диск с прорезями, в статорных (неподвижных) колесах сделаны такие же прорези  только зеркально.

При горизонтальнойустановке ротора газовый поток засасывается через входной патрубок и разделяется на два потока, которые проходят через рабочую камеру и соединяются на выходе в нагнетательном патрубке.

Основные преимущества турбомолекулярных насосов:

• быстрый запуск в работу, в течение 10-15 мин.;
• постоянная готовность к началу работы;
• нечувствительность к любым перепадам давления;
• широкий интервал создаваемого рабочего давления (от 10^-1 до 10^-7 Па);
• обеспечивают высокую степень сжатия газов или их смесей с высокими показателями молекулярной массы.

Высокий уровень сжатия позволяет получать на выходе из турбомолекулярного насоса разрежение до 10^-15 Па, то есть очень высокий сухой вакуум.

Эксплуатация и техобслуживание турбомолекулярных насосов

Турбомолекулярные насосы монтируются на прочных и устойчивых фундаментах, при наличии предварительных систем между насосом и форвакуумной ступенью устанавливается сильфонный компенсатор. Турбомолекулярные модели насосов работают без вибрации, поэтому между основными агрегатами такой компенсатор не устанавливается.

Быстродействие турбомолекулярных насосов в 20-50 раз выше, чем у механических моделей форвакуумного назначения, поэтому насосы турбомолекулярного типа обеспечивают высокую производительность при высоких давлениях на входе.

Паромясляные насосы

Вакуумные паромасляные насосы относятся к диффузионному типу и используются для создания высокого и области сверхвысокого вакуума. Устанавливаются в установки и системы только вместе с форвакуумными насосами.

Основными преимуществами диффузионных насосов являются:

• быстродействие;
• минимальное давление на выходе и высокое давление на входе;

Вакуумные насосы: основные производители

Компания "Мегатехника" работает с ведущими производителями вакуумных насосов, установок и систем в Европе. Фирма Pompetravaini (Италия) выпускает практически весь модельный ряд вакуумных насосов, является признанным лидером  по изготовлению одно- и двухступенчатых водокольцевых насосов для создания вакуума, Мегатехника поставляет любые насосные агрегаты этой компании и запасные части.

Производителями роторных масляных и безмасляных моделей насосов  являются:

• итальянская компания Pneumofore;
•  известные немецкие концерны Busch, Becker, OerlikonLeyboldVacuum, ElmoRietschle.

Компания "Мегатехника" организовала собственное производство вакуумных насосов, достоинствами которых являются высокие показатели производительности, простота монтажа, технического обслуживания, экономичность и низкая стоимость по сравнению с импортными аналогами. Постоянное наличие запасных частей и возможность замены вышедших из строя узлов обеспечивают стабильный спрос на модели вакуумных насосов фирмы "Мегатехника".