Пароструйные насосы

Действие пароструйных вакуумных насосов основано на использовании в качестве откачивающего элемента высокоскоростной паровой струи. В зависимости ог области рабочих давлений и принципа действия различают три вида пароструйных насосов: эжекторные (7604-10^-2 мм рт.ст.), бустерные (10^_1л-10⁴ мм рт. ст.) и высоковакуумные (ниже 10^-4 мм рт.ст.).

Несмотря на различие в диапазонах рабочих давлений, в конструктивном оформлении, режимах работы и физическом механизме процесса откачки, общая принципиальная схема работы насосов одинакова. На рис. 1 приведена упрощенная схема, иллюстрирующая работу насосов с собственным кипятильником.

В кипятильник 7 насоса заливают специальную рабочую жидкость (вакуумное масло или ртуть). Нагревателем 8 жидкость нагревается в кипятильнике до рабочей температуры; образующийся пар по пароподводящей трубе 1 поступает к соплу 3, из которого с большой скоростью истекает в виде расходящейся струи в пространство рабочей камеры насоса 4. Откачиваемый газ поступает в рабочую камеру, захватывается струей и увлекается ею к охлажденным стенкам рабочей камеры. На стенках камеры пар конденсируется, и конденсат по сливной трубке 6 возвращается обратно в кипятильник. Газ, увлекаемый струей к стенкам камеры, сжимается ею и выбрасывается к насосу предварительного разрежения.

Несколько отличается от приведенной схемы работа пароводяного эжекторного насоса, в котором пар приготовляется не в собственном кипятильнике, а подается по паровой магистрали из котельной или ТЭЦ. Кроме того, пар не конденсируется на стенках насоса, а либо выбрасывается вместе с газами, либо конденсируется в установленном за насосом конденсаторе.

Механизм увлечения газа струей в струйном насосе зависит от режима течения откачиваемого газа и режима течения паровой струи.

В эжекторных насосах, работающих при высоких впускных н выпускных давлениях, из сопел истекают плотные турбулентные или ламинарно-вязкостные струи. При этом увлечение газа струей в первом случае осуществляется за счет турбулентного перемешивания вихреобразно движущихся масс струи с частицами откачиваемого газа, в процессе которого последние получают импульсы в направлении движения струи от паровых частиц. Во втором случае, при ламинарной струе, увлечение газа осуществляется за счет вязкостного трения граничных слоев струи и прилегающих слоев газа, а также частично за счет диффузии газа в струю.

В бустерных насосах увлечение газа струей осуществляется за счет вязкостного трения между слоями пара и газа и в значительной мере за счет диффузии газа в струю.

В высоковакуумных насосах механизм увлечения газа струей целиком определяется диффузией молекул газа в струю.

Современные вакуумные струйные насосы — многоступенчатые, имеют две-три, а эжекторные насосы и большее число последовательно работающих ступеней.

В качестве рабочих жидкостей в насосах используются ртуть, вакуумные масла и вода. Поэтому в зависимости от рода рабочей жидкости струйные насосы подразделяются на парортутные, паромасляные и пароводяные.

В условиях промышленной эксплуатации вакуумные струйные насосы присоединяются к откачиваемым системам обычно через переходные трубопроводы, вакуумные затворы, отражатели, ловушки. Для расширения возможностей промышленного применения вакуумных струйных насосов выпускаются типовые вакуумные затворы, ловушки, отражатели, вентили.

Наряду с насосами выпускаются вакуумные струйные агрегаты, представляющие собой установку для откачки, состоящую из струйного насоса, отражателя, ловушки, затвора, присоединительного патрубка и электрощитка, смонтированных на общей раме.

Эжекторные насосы

В эжекторном насосе (рис. 1) пар повышенного давления истекает через расширяющееся сопло 1 со сверхзвуковой скоростью. За счет турбулентного перемешивания или вязкостного трения граничных слоев струи и газа происходит захват и увлечение газа в сужающийся насадок 2 — камеру смешения Пройдя через горловину 3, парогазовая смесь из камеры смешения поступает в расширяющийся диффузор 4, в котором скорость потока уменьшается, а статическое давление растет.

Обычно одна ступень вакуумного эжектора сжимает газ в 5—10 раз. Так, одна ступень эжектора, работающего с выпуском в атмосферу, может создавать давление от 80 до 150 мм рт. ст Для получения более низких давлений необхотпмо устанавливать ряд ступеней последовательно. При этом за эжекторной ступенью обычно устанавливается конденсатор, в котором пар конденсируется, а газ откачивается следующей ступенью. Схема типичного пароводяного эжекторного насоса с промежуточным конденсатором приведена на рис. 2

Основной характеристикой пароэжекторных насосов является зависимость впускного давления от производительности или внешней нагрузки (рис. 3).

Характеристика имеет два участка, наклоненных под разными углами к оси абсцисс: пологий — рабочий участок и крутой — перегрузочный участок. На рабочем участке значительные изменения нагрузки мало изменяют впускное давление. На перегрузочном участке малые изменения на1рузки приводят к резкому росту впускного давления.

Точка перегиба характеристики, соответствующая максимальной производительности насоса на рабочем участке, является расчетной рабочей точкой, для которой обычно указываются параметры насоса.

Быстрота откачки насоса в зависимости от впускного давления имеет вид кривой с максимумом (рис. 4), соответствующим рабочей точке.

В качестве рабочих жидкостей в вакуумных эжекторных насосах используют воду, ргуть и вакуумные масла.

На рис. 5 приведен внешний вид четырехступенчатого парортутного эжекторного насоса ЭН-100Р. Быстрота откачки насоса равна 100 лсек при давлении 10¹ мм рт. ст, предельный вакуум 1,5-10-⁶ мм рт ст. (измеренный при вымораживании паров ртути в азотной ловушке перед манометром); наибольшее выпускное давление 50 мм рт. ст. Насос выполнен в виде компактного блока последовательно соединенных эжекторных ступеней и промежуточных конденсаторов, кипятильника и паропроводов, смонтированных на общей раме. В выпускном патрубке насоса имеется дисковая ловушка, предотвращающая выход паров ртути в сторону насоса предварительного разрежения. Насос изготовлен из нержавеющей стали Х18Н9Т.

Насос применяют в качестве вспомогательного для создания предварительного разрежения, а также в качестве высоковакуумного для получения давления -10^-6 мм рт.ст. при сниженной быстроте откачки.

Соединенный последовательно с водоструйным насосом, насос ЭН-100Р обеспечивает безмасляную предварительную откачку больших объемов.

По своей производительности при давлении I0¹ мм рт. ст. он эквивалентен механическому насосу ВН-6Г.

Насос может быть рекомедован:

для использования в системах безмасляной откачки термоядерных, ускорительных и других установок;

для перекачки редких и дорогостоящих газов из сосуда с низким давлением в сосуд с высоким давлением без риска загрязнения газов органическими продуктами или частичной потери их за счет растворения в рабочей жидкости (в случае использования масляных насосов);

для откачки радиоактивных газов без загрязнения их органическими продуктами (в случае использования масляных насосов; кроме того, радиоактивные газы разрушают масло в насосе, что делает применение масляного насоса для этой цели малопригодным);

для перекачки и сжатия газовых смесей при газовом анализе без загрязнения и потери газов.

Наиболее широкое распространение получили пароводяные эжекторные насосы. Это обусловлено ценными свойствами пара как рабочего тела (однороден по составу, не разлагается, не окисляется и т. п.), доступностью его и возможностью практически неограниченного потребления при современном уровне котлострое-ния. В отличие от паромасляных и парортутных насосов в пароводяных эжекторных насосах пар приготавливается не в собственном кипятильнике, а подается к соплам по магистральным паропроводам от ТЭЦ или котельных под повышенным давлением, обычно порядка 5—10 атм. Многоступенчатые пароэжекторные насосы могут быть рассчитаны на различные производительность и предельный вакуум, а также на работу при различных параметрах пара и воды.

Характеристики пароводяных эжекторных насосов существенно зависят от давления и состояния пара, температуры и расхода воды. При этом, чем выше давление пара и чем ниже температура охлаждающей конденсатор воды, тем меньше удельный расход пара и воды на 1 кг откачиваемого газа. В связи с этим высокопроизводительные пароводяные эжекторные насосы проектируют обычно для конкретных целей, под определенные параметры пара и воды на объекте, где предполагается установка насоса. Эти насосы, имеющие различную компоновку в зависимости от эксплуатационных условий, изготавливаются по специальным заказам промышленности.

Пароводяные эжекторные насосы широко применяются для откачки конденсаторов паровых турбин, дистилляционных установок, выпарных аппаратов, вакуум-кри-стал.тизаторов, деаэраторов, дегидраторов, вакуум-сушильных аппаратов, вакуум-фильтров, вакуум-проппточных установок, вакуум-ме-таллургических печен, установок для вакуумной обработки жидкой стали и др., а также могут быть использованы в качестве насосов предварительного разрежения в безмасляных системах откачки.

Столь широкое распространение пароводяных эжекторных насосов обусловлено рядом их важных достоинств:

1) практически любая, сколь угодно большая, объемная производительность, на которую насосы могут быть рассчитаны и изготовлены;

2) отсутствие движущихся частей, очень простая конструкция, вследствие чего насосы обладают большой надежностью в работе, срок службы их практически не ограничен;

3) возможность изготовления из различных материалов и откачки любых газов, в том числе агрессивных и загрязненных механическими примесями; при откачке запыленной среды насосы не нуждаются в установке фильтров, благодаря чему полностью используется их производительность;

4) малый вес; для установки насосов не требуются фундаменты;

5) компактность; отдельные элементы насоса могут быть размещены по стенам, колоннам, потолкам так, чго занимаемая ими производственная площадь оказывается незначительной;

6) малая стоимость изготовления и эксплуатации, простота обслуживания.

В настоящее время выпускаются насосы с быстротой откачки, достигающей 150000 л)сек и позволяющей получать в больших объемах давление ЮЧЮ² мм рт. ст.

Пятиступенчатый пароэжекторный насос ПЭВ-ЮОХО,5 (рис. 6) имеет три последовательно соединенные первые ступени, состоящие из четырех ниток, объединенных в две параллельные группы, два параллельно работающих барометрических конденсатора смешения за третьей ступенью и один конденсатор смешения между четвертой и пятой ступенями.

На рис. 7 приведена схема шестиступенчатого насоса НЭВ-2Х10 ², предназначенного для откачки вакуумной дуговой печи при давлении 10^-2 мм рт. ст. Насос имеет четыре последовательно соединенные эжекторные ступени без промежуточных конденсаторов и два конденсатора смешения за четвертой и пятой ступенями.

Они крайне редко требуют очистки, могут работать на загрязненной воде, не боятся попадания механических частиц, которые смываются потоком воды в сливные трубы, мало боятся коррозии, так как попадающая в них коррозирующая среда разбавляется охлаждающей водой.

Вместе с тем поверхностные конденсаторы обладают достоинствами, которые в ряде случаев делают их использование более предпочтительным, чем конденсаторов смешения. Так, охлаждающая вода в них не смешивается с конденсатом, что позволяет возвращать чистый конденсат в систему. При отсосе конденсата конденсатным насосом требуется меньшая, чем для конденсатора смешения, производительность конденсатного насоса. Если в конденсате содержатся коррозирующие, ядовитые или радиоактивные компоненты, то при применении поверхностного конденсатора возникает гораздо меньше проблем, связанных с улавливанием этих компонентов, чем при применении конденсатора смешения.

Наряду с баромерическими конденсаторами, требующими размещения их на высоте примерно 11 ж от уровня воды в дренажном колодце, применяют также н низкоуровневые конденсаторы, из которых конденсат удаляется не по барометрическим сливным трубам, а отсасывается конденсатными насосами. В этих случаях высота сливных {руб составляет приблизительно 1,5 м, что достаточно для уравновешивания разности давлений между отдельными конденсаторами.

Для малых насосов весьма удобной и экономичной является схема с промежуточными поверхностными конденсаторами и отсосом конденсата из них водоструйными насосами. При этом водоструйные ступени питаются водой, выходящей из конденсаторов, что позволяет избежать ее дополнительного расхода. Насосы, работающие по такой схеме, имеют производительность 0,2 кг/час (НЭВ-0.2Х20) и 2 кг/час (НЭВ-2Х20) сухого воздуха при рабочем давлении 20 мм рт. ст. Насосы двухступенчатые, выполнены в виде блоков ступеней, смонтирован-них на рамах. Блок ступеней может быть снят с рамы н закреплен на стене скобами, приваренными к конденсатору.

Наряду с конденсаторами смешения в пароводяных эжекторных насосах применяются также поверхностные конденсаторы, обычно трубчатого типа. Здесь, в отличие от конденсаторов смешения, теплообмен происходит не в результате непосредственного контакта парогазовой смеси с охлаждающей водой, а через стенки грубой, внутри которых движется вода, а снаружи — парогазовая смесь.

Конденсаторы смешения получили большее распространение, чем поверхностные конденсаторы.

Насосы присоединяются к откачиваемой системе через венiиль D-25. Основные детали насосов изготавливаются из стали Х18Н9Т.

Компактным насосом, выполненным в виде блока ступеней, смонтированного на раме, является также насос НЭВ-3. Насос имеет три первые пароэжекторные ступени без промежуточных конденсаторов и последнюю ступень — водоструйную, являющуюся одновременно конденсатором пара, выбрасываемого из третьей ступени.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1 Ianмеиование		Насосы
	11ЭВ-0.2Х20	НЭВ-2Х2О	нэв-з
Производи гельносп, но сухому воздуху, кгас	0,5 при	3 при	1 при
	20 мм рт. ст.	20 мм рт. 1 т.	0,5 мм рт. ст.
Предельный вакуум, мм рт. ст.	10	10	0,38
Давление рабочего пара (сухой насыщенный), ати	2,6	2,6	4,0
Расход пара, кг час	12	86	140
Давление охлаждающей воды, ати	1,0	1,5	4,0
Максима и,пая i емиер.пура воды, С	30	30	30
Расход ноды, .и-1 час	0,35	1,5	14
Габаритные размеры, маг. с рамой	500 Л 445 у 1025	800 X 800 Л 1423	1048X1148 Х2569
без рамы	500x345x910	684x395x1329	—
Вес, кг. с рамой	51	80	290
без рамы	41	60	—

Бустерные насосы

Бустерные насосы применяются для откачки больших количеств газа из вакуумных установок при давлениях от 10 ¹ до 10 ⁴ мм рт. ст. Они широко используются для откачки вакуумных индукционных и дуговых металлургических печей, установок для сушки и пропитки электрических конденсаторов, трансформаторов, кабелей, вакуум-ди-стилляционных установок, аэродинамических труб и т. д.

В качестве рабочих жидкостей в бустерных насосах используются вакуумные масла Г и ВМ-3 и кремнийорганическое соединение ПФМС-1.

Выпускаются бустерные паромасляные насосы с быстротой откачки 500, 2000, 4500 и 15000 л[сек. Характерными особенностями бустерных насосов являются большая производительность (до 150 л • мм рт. ст.{сек в диапазоне давлений от 10 ² до 10^-3 мм рт. ст. и высокие значения наибольшего выпускного давления 0,5—2,0 мм рт.ст.), а также связанные с этим значительное потребление электрической энергии и увеличенные размеры кипятильников. Быстрота огкачки бустерных насосов изменяется с изменением впускного давления и имеет максимум при давлении 1 • 10² мм рт. ст.