Вакуумное масло это специализированную рабочую жидкость, без которой функционирование масляных вакуумных насосов становится невозможным. В зависимости от базового состава различают минеральные и синтетические вакуумные масла.
Роль вакуумного масла в работе насосов
- Минеральные получают путём глубокой очистки нефтяных фракций, тогда как синтетические синтезируют на основе непредельных и ароматических углеводородов или силоксанов. Синтетические масла демонстрируют устойчивость в широком диапазоне температур окружающей среды, вплоть до минус 65 °С, однако их стоимость существенно выше по сравнению с минеральными аналогами.
- К вакуумному маслу предъявляется комплекс требований, определяющих его пригодность для использования в насосах. Помимо высокой вязкости и хороших смазывающих свойств, критически важным параметром является низкое давление насыщенных паров в рабочем диапазоне температур.
Малая испаряемость предотвращает загрязнение откачиваемого объёма молекулами масла, а стабильность к окислению обеспечивает длительный срок службы без деградации свойств. Низкая кислотность масла защищает металлические детали насоса от коррозионного воздействия. Универсальные масла, например ULVOIL R-7, имеют давление паров менее 4×10⁻¹ Па и могут применяться в пластинчато-роторных и золотниковых насосах средней и большой быстроты откачки.
Конструкция и принцип действия масляных вакуумных насосов
Масляные вакуумные насосы Vacma с масляным уплотнением относятся к насосам объёмного действия, принцип работы которых основан на периодическом изменении объёма рабочей камеры. Классическим представителем этого класса является ротационно-пластинчатый насос, конструкция которого остаётся неизменной с начала XX века. В цилиндрическом корпусе эксцентрично расположен ротор с пазами, в которых установлены радиально подвижные пластины.
При вращении ротора центробежная сила прижимает пластины к внутренней стенке камеры, разделяя её на несколько отсеков переменного объёма.
Масло в такой конструкции выполняет одновременно три функции: уплотняет зазоры между пластинами и стенками камеры, смазывает трущиеся поверхности и отводит тепло, возникающее при сжатии газа. Рабочая камера погружена в масляную ванну, и зазоры между подвижными элементами постоянно заполнены маслом, что препятствует обратному перетеканию газа из области нагнетания во всасывающую полость.
Исследования патентных материалов показывают, что в усовершенствованных конструкциях предусмотрены дополнительные маслоподводящие каналы и лабиринтные уплотнения, повышающие эффективность уплотнения зазоров.
Характеристики работы насосов! Предельный вакуум и быстрота откачки
Эффективность масляного вакуумного насоса оценивается двумя ключевыми параметрами: предельным вакуумом и быстротой откачки. Предельный вакуум это минимальное давление, которое насос способен создать в замкнутом объёме при длительной работе. Для ротационно-пластинчатых насосов этот показатель достигает 20 мбар (2×10³ Па) и ниже. При этом важно различать предельное остаточное давление, измеряемое в стандартных условиях, и рабочие характеристики в реальных условиях эксплуатации.
Быстрота откачки определяет объём газа, удаляемый насосом за единицу времени при определённом давлении на входе. Промышленные модели демонстрируют производительность от 20 до 140 м³/ч и более. Производительность зависит от частоты вращения ротора, рабочего объёма камеры и степени сжатия. На быстроту откачки существенно влияет также температура масла: с её повышением вязкость снижается, что может приводить к ухудшению уплотнения зазоров и снижению эффективности.
Остаточное давление и явление натекания
Остаточное давление это давление, которое устанавливается в вакуумной системе после достижения динамического равновесия между скоростью откачки насоса и суммарным газовыделением и натеканием. В масляных насосах величина остаточного давления определяется не только эффективностью уплотнений, но и давлением паров используемого масла. Чем ниже давление насыщенных паров масла, тем более глубокий вакуум способен обеспечить насос.
- Натекание газа в вакуумную систему происходит через микроскопические зазоры, неплотности соединений и фланцев. В масляных насосах масляное уплотнение служит барьером, препятствующим натеканию атмосферного воздуха через зазоры между ротором и статором.
- Однако при длительной эксплуатации возможно снижение эффективности уплотнения из-за загрязнения масла продуктами разложения и частицами износа, что увеличивает натекание и ухудшает предельный вакуум. Контроль скорости натекания является важной частью диагностики технического состояния насоса.
Форвакуум и работа насоса в составе вакуумных систем
Термин "форвакуум" обозначает область среднего или низкого вакуума, которая создаётся механическими насосами перед высоковакуумными ступенями откачки. Масляные насосы часто используются в качестве форвакуумных для паромасляных диффузионных насосов, турбомолекулярных насосов и других высоковакуумных средств откачки. При этом форвакуумный насос должен обеспечивать давление на выходе высоковакуумного насоса ниже его максимального выпускного давления.
В системах с паромасляным диффузионным насосом масляный механический насос создаёт форвакуум, необходимый для работы диффузионной ступени. Диффузионные насосы, в свою очередь, способны достигать давлений от 10⁻¹ до 10⁻⁹ Па и быстроты откачки более ста литров в секунду. Эффективность всей системы определяется правильным подбором форвакуумного насоса, обеспечивающего необходимую быстроту откачки и уровень форвакуумного давления.
Согласно стандартам, для пароструйных насосов измерение предельного остаточного и наибольшего выпускного давлений регламентируется специальными методиками.
Газобалластное устройство и его применение
Газобалластное устройство предназначено для предотвращения конденсации паров откачиваемых жидкостей в рабочей полости насоса. При откачке парогазовых смесей, например влажного воздуха или паров растворителей, в процессе сжатия парциальное давление паров может превысить давление насыщения при данной температуре. Конденсация приводит к смешиванию жидкости с маслом, что вызывает его эмульгирование, потерю смазывающих свойств, рост остаточного давления и коррозию рабочих элементов.
Газобалластное устройство функционирует следующим образом: в полость сжатия насоса подаётся небольшое количество балластного газа, чаще всего атмосферный воздух или сухой азот. Это увеличивает общее давление в камере сжатия, снижая парциальное давление откачиваемых паров, что предотвращает их конденсацию. Основными параметрами насоса с газобалластным устройством являются наибольшее допустимое давление водяного пара на входе и максимальная производительность по водяному пару.
В эксплуатационных инструкциях рекомендуется открывать газобалластное устройство за 15–20 минут до начала откачки парогазовых смесей и закрывать только после завершения процесса.
Механический бустер и его характеристики
Механический бустер, также известный как насос Рутса, это вакуумный агрегат, работающий в паре с форвакуумным насосом для повышения быстроты откачки в диапазоне среднего вакуума. ГОСТ 32974.3-2023 устанавливает методы измерения основных характеристик механических бустеров: максимально допустимого перепада давления, эффективной степени сжатия и степени сжатия при нулевой производительности.
Бустер существенно увеличивает быстроту откачки в диапазоне давлений 10¹–10⁻¹ Па, где производительность обычных механических насосов начинает снижаться. В отличие от масляных ротационных насосов, бустер не создаёт вакуум от атмосферного давления и требует предварительного создания форвакуума. Использование бустера в вакуумных системах сокращает время откачки больших объёмов и снижает энергопотребление за счёт уменьшения времени работы высоковакуумных насосов при повышенных давлениях.
Системы с несколькими бустерами применяются в крупных промышленных установках, где требуется высокая производительность.
Паромасляный диффузионный насос- принцип работы
Паромасляный диффузионный насос относится к пароструйным средствам откачки и не содержит движущихся частей. Принцип его работы основан на использовании струй пара масла, генерируемых кипячением рабочей жидкости в специальном испарителе.
Пары масла поднимаются по центральной колонне и выходят через сопловые отверстия в виде направленных струй. Молекулы откачиваемого газа диффундируют в струю пара и увлекаются ею к холодныателя.
Это свойство используется в гелиевых течеискателях для очистки масс-спм стенкам насоса, где масло конденсируется, а освободившиеся молекулы газа удаляются форвакуумным насосом.
Коэффициент компрессии диффузионного насоса описывается сложным выражением, учитывающим высоту насоса, скорость и плотность молекул пара, а также молекулярные массы откачиваемого газа и масла. В лучших образцах коэффициент компрессии достигает 10⁸ по азоту. Характерной особенностью диффузионных насосов является возможность настройки на эффективную откачку конкретного газа путём изменения мощности нагревектрометра от пробного газа.
Конденсационные ловушки и защита вакуумной системы
Конденсационная ловушка это устройство, устанавливаемое между вакуумным насосом и откачиваемым объёмом для улавливания паров масла и других загрязнителей.
В системах с паромасляными диффузионными насосами ловушки, охлаждаемые жидким азотом, размещаются на верхней части насоса и конденсируют любые остаточные молекулы масла, предотвращая их попадание в вакуумную камеру. Это критически важно для применений, где чистота вакуума определяет качество технологического процесса, например при нанесении оптических покрытий или в аналитических приборах.
Для механических масляных насосов ловушки-отстойники устанавливаются как на всасывающей, так и на выпускной линиях. Они предназначены для сбора конденсата, образующегося при откачке парогазовых смесей. Использование ловушек значительно увеличивает срок службы масла и предотвращает попадание загрязнений в откачиваемый объём.
В ответственных применениях рекомендуется применять синтетические масла, такие как Fomblin или Santovac, которые обладают чрезвычайно низким давлением паров и химической инертностью, что сводит к минимуму риск загрязнения вакуумной системы.
Эксплуатационные особенности ротационно-пластинчатых насосов
Ротационно-пластинчатые насосы получили наибольшее распространение благодаря простоте конструкции, надёжности и компактности. Они работают с низким уровнем шума, что достигается применением конструкций с пониженной скоростью вращения. Техническое обслуживание не представляет сложности: регулярная замена масла, очистка газобалластного устройства и проверка состояния пластин обеспечивают длительный срок службы.
При откачке парогазовых смесей рекомендуется предварительный прогрев насоса в течение часа с открытым газобалластным устройством для достижения рабочей температуры. Это предотвращает конденсацию паров в масле и связанное с этим осмоление. Важно, что при открытом газобалластном устройстве давление на входе остаётся практически неизменным, что позволяет эффективно работать с парогазовыми смесями.
После завершения откачки паров необходимо перекрыть всасывающий трубопровод и закрыть газобалластное устройство для предотвращения попадания влажного воздуха в насос при остывании.
Применение масляных вакуумных насосов
Масляные вакуумные насосы находят применение в широком спектре отраслей промышленности и научных исследований. В вакуумной упаковке пищевых продуктов и компрессионной упаковке текстильных материалов они обеспечивают необходимый уровень вакуума для герметизации. В вакуумной обработке материалов используются для сушки, дистилляции, концентрации, пропитки и адсорбции. Термоформовка пластмасс, вакуумные зажимные устройства и лиофильная сушка также требуют применения масляных насосов.
В лабораторной практике они служат основой вакуумных систем, используются в аналитических приборах и в качестве форвакуумных насосов для турбомолекулярных насосов. Специализированные применения включают системы нанесения оптических покрытий, установки магнетронного распыления и приборы для обнаружения утечек.
Благодаря сочетанию высокой эффективности, надёжности и относительно невысокой стоимости масляные вакуумные насосы остаются востребованными во всех областях вакуумной техники.