Термодинамические основы процесса сжатия газов. Поршневые, винтовые, ротационные компрессоры, вакуум-насосы

     Рис. 1 Упрощенная схема вакуумной системы.

     Рассмотрим  схему простейшей вакуумной системы (рис. 1), состоящую из откачиваемого  объекта 1, насоса 2, и соединяющего их трубопровода. Течение газа из откачиваемого  объекта в насос происходит из-за разности давлений (p1 - p2), причём p1 > p2.

     Быстроту  откачки насоса Si в произвольном сечении соединительного трубопровода можно определить как объём газа, проходящий через это сечение  в единицу времени:

     S_i = dV_i/dt. 

     Быстротой откачки объекта или эффективной  быстротой откачки насоса называется объём газа, поступающий в единицу  времени из откачиваемого объекта  в трубопровод через сечение I при давлении p₁: 

     S_Eff = dV₁/dt (1) 

     Быстрота  действия насоса – это объём газа, удаляемый насосом в единицу  времени через входной патрубок (сечение ближе к насосу) при  давлении p₂: 

     S_H = dV₂/dt (2) 

     Отношение эффективной быстроты откачки насоса к быстроте действия называется коэффициентом  использования насоса:

     K_u = S_Eff/S_H (3) 

     Производительностью насоса называется поток газа, проходящий через его входное сечение. Для  стационарного потока выполняется  условия сплошности: 

     Q = p₂S_H = p₁S_Eff = p_iS_i (4) 

     Установим связь между тремя основными  характеристиками вакуумной системы: быстротой действия насоса S_H, эффективной быстротой откачки объекта S_Eff и проводимостью вакуумной системы между насосом и откачиваемым объектом U. Запишем следующие равенства: 

     S_H= Q/p₂=U(p₁-p₂)/p₂,

     S_Eff = Q/p₁ = U(p₁ - p₂)/p₁ (5) 

     После несложных преобразований имеем  искомую связь:

     1/S_Eff -1/S_H = 1/U (6) 
 

     Это уравнение называется основным уравнением вакуумной техники. Для анализа  этого уравнения запишем его  немного в другом виде: 

     S_Eff = S_HU/(S_H + U) (7) 

     Сразу же бросаются в глаза следующие  факты:

1. Если S_H = U, то получаем что S_Eff = 0.5S_H;
2. Если U , то S_Eff S_H;
3. При U 0, имеем S_Eff 0.

     Предельное давление насоса p_пр - это минимальное давление, которое может обеспечить насос, работая без откачиваемого объекта. Логично заметить, что быстрота действия насоса при приближении к предельному давлению стремиться к нулю. Предельное давление большинства вакуумных насосов определяется газовыделением материалов, из которых изготовлен насос, перетеканием газов через зазоры и другими явлениями, возникающими в процессе откачки.

     Наименьшее рабочее давление вакуумного насоса p_м - это минимальное давление, при котором давление длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. Наименьшее рабочее давление примерно не порядок выше предельного давления. Использование насоса для работы при давлениях между предельным и наименьшим рабочим экономически не выгодно из-за ухудшения его удельных характеристик.

     Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса p_б - это максимальное давление, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. В рабочем диапазоне от наименьшего о наибольшего рабочего давления обеспечивается эффективное применение насоса для откачивания вакуумных установок. Рабочие диапазоны давлений вакуумных насосов в основном определяются их принципом действия.

     Давление запуска вакуумного насоса p_з - максимальное давление во входном сечении насоса, при котором он может начать работу. Давление запуска обычно заметно превышает наибольшее рабочее давление. Для некоторых типов насосов, к примеру, магниторазрядных, это различие может достигать 2-3 порядков

     Рис.2 Зависимость быстроты действия от входного давления. 

     Наибольшее  выпускное давление p_В - максимальное давление в выходном сечении насосы, при котором он может осуществлять откачку. Этот параметр не используется для некоторых типов сорбционных насосов, поглощающих газ в объёме насоса.

     Параметры вакуумных насосов показаны на основной характеристике вакуумного насоса –  зависимости быстроты действия от его  входного давления (рис. 2). Экспериментальное  определение основной характеристики вакуумного насоса может осуществляться двумя методами: стационарным методом  постоянного давления и квазистационарным  методом постоянного объёма. 
 
 
 
 
 
 
 

      Вакуммный насос составляют следующие основные элементы: корпус ), эксцентричный ротор 2, выпускной патрубок 3, пластина 4, пружина 5, входной патрубок 6". Рабочее пространство насоса образуется между эксцентрично установленным ротором и корпусом насоса. При вращении по часовой стрелке за первый оборот ротора газ всасывается из откачиваемого объекта, а за второй оборот производится сжатие и выхлоп газа. Пластина под воздействием пружины герметично разделяет области всасывания и сжатия откачиваемого газа.