Sueños de un vacío profundo (parte 1). Bomba de difusión de vapor y aceite: reanimación y un poco de teoría

El tema del equipo de vacío más de una vez surgió en la inmensidad de Habr. Por ejemplo, estos son artículos sobre un microscopio electrónico en un garaje , sobre pulverización catódica de magnetrón e incluso sobre un sistema láser de vapor de cobre hecho en casa . Algunos de estos artículos mencionaron bombas de aceite de vapor. Ahora sugiero que todos los interesados ​​echen un vistazo más de cerca al dispositivo y las características de estas bombas.

Como empezó todo

No hace mucho tiempo, me convertí en el propietario de dos motores de cohetes para misiles de la clase "tal vez volar" de las bombas de vapor de aceite de difusión NVDS-100, que me dieron un poco más que el precio de la chatarra. Durante mucho tiempo quise conseguir algo así, porque siempre quise "mirar" dentro de una bomba en funcionamiento. También quería probar el proceso de deposición de metales en el vacío, lo que puede ser bastante relevante para mi pasión por la astronomía y los precios mordaces de los grandes espejos para telescopios. Aunque la técnica de vacío me parece casi lo mismo que los motores de las naves espaciales y había grandes dudas, los excelentes artículos de reacción proporcionaron un incentivo adicional para avanzar en esta dirección. Sí, y al ver esas bombas siento cierta nostalgia por el lugar donde practiqué en el instituto (y luego trabajé). Era una fábrica para la producción de resonadores y generadores de cuarzo, donde en las entrañas de las tiendas había muchas cosas extrañas (a menudo ya únicas) como goniómetros de rayos X, plantas de grabado de plasma iónico, soldadores para sellar docenas de resonadores en vacío o atmósfera de gas, pero la mayoría, en mi opinión. look, épico - instalación de pulverización al vacío UVN-71.



Cuando caminas por el taller con hileras de instalaciones donde sobresalen cables, mangueras, chorros de vapor blanco periódicamente de trampas de nitrógeno y recipientes Dewar, y desde arriba, durante muchas décadas seguidas, osos de goma y liebres con caras tristes y muy sucias montadas en varillas girando ... En general, un paisaje inolvidable en el espíritu de un steampunk post-apocalíptico.

Entonces, de vuelta a las bombas.



Su vida fue dura, pero no despiadada. En el interior, se encontró una gran cantidad de aceite congelado que debería haberse eliminado de alguna manera, pero de lo contrario parecía bastante decente: los sellos estaban en su lugar, los cerramientos estaban completos, los calentadores estaban calientes, pero no podía decir nada más sobre ellos.



De lo agradable: en una de las bombas había un reflector chevron refrigerado por agua o una trampa refrigerada por agua (conocí ambos nombres), diseñada para reducir la cantidad de vapor de aceite que ingresa a la cámara de vacío. La cosa es muy útil, pero reduce el rendimiento de la bomba en un 20-30%, si crees en los libros. Posteriormente se compró una persiana de vacío. Es necesario cortar la entrada de la bomba de la cámara de vacío, lo que permite que se introduzca aire en la cámara sin apagar la bomba (más precisamente, sin enfriarla). Está estrictamente prohibido dejar entrar aire en una bomba aún caliente, y explicaré más a qué conduce el incumplimiento de esta regla.

Fue posible lavar las bombas con bastante facilidad usando acetona ordinaria, que disolvió el aceite congelado, como azúcar, agua caliente. Después de tres litros de acetona, dos horas de procedimientos de baño, resultó que el deflector de aceite se retiró de la bomba (también se le llamó la "tapa fría"). Antes de eso, se aferró con tanta fuerza que le levanté la bomba y estaba seguro de que era una estructura no separable. Es cierto, esto es lo único que se protagonizó.



El interior de la bomba se retiró solo después de calentar la bomba, cuando se derritió el aceite congelado. Y aquí es claramente visible que las partes de aluminio perdieron su color habitual y se cubrieron con algo de flacidez. Volveremos a esto más adelante.



Y para aquellos que pintan el acero inoxidable con plata, ¡en el infierno habrá una caldera separada!

Poco de teoría

Antes de comenzar a pensar en la diversión, propongo clasificar qué tipo de bombas son generalmente y qué se vierte en ellas. En seco no funciona.

Fluidos de trabajo

Para fluidos de trabajo, hay varios parámetros importantes que determinan el resultado de una bomba:

• Resistencia al vapor a 20 ° C. Este parámetro, en el caso ideal, determina la presión residual final que se puede lograr usando dicho líquido.
  
• El punto de ebullición en el cual la presión de vapor es 1.33 Pa (1.10x10 ^ 2mmHg)
  
• Punto de inflamación y autoignición. Sí, con un sobrecalentamiento grave de la bomba y un avance del aire atmosférico, puede obtener un motor a reacción en lugar de una bomba.
  
• Estabilidad frente a la oxidación y estabilidad hidrolítica. Un parámetro importante, aunque generalmente no tiene una expresión numérica, por lo tanto, debe confiar en adjetivos y grados comparativos. En realidad, la situación aquí es simple. Para el usuario, se expresa que algunos aceites pueden resistir un avance aleatorio del aire atmosférico a la temperatura de funcionamiento, y algunos generalmente pueden trabajar con procesos de bombeo de ciclo rápido sin válvulas. En otras palabras, pueden trabajar en un ciclo de bombeo -> entrada de aire -> bombeo.
  
• Toxicidad Los fluidos de trabajo modernos, si no están borrachos (y a veces si están borrachos), no son tóxicos o son poco tóxicos. Pero verificarte a ti mismo no vale la pena.
  
• En algunas aplicaciones, debe observar cómo se comportan los productos de descomposición del fluido de trabajo y su vapor. No es muy agradable, por ejemplo, si quiere trabajar con vapores de cesio, y de repente reacciona famoso con vapores de aceite al vacío.
  

Como se puede usar el fluido de trabajo:

• mercurio
• aceite mineral
• líquidos organosilícicos;
• ésteres

Mercurio tiene algunos beneficios muy importantes:

• uniformidad en la composición;
• resistencia a la oxidación y estabilidad;
• alta presión de vapor a temperatura de funcionamiento (de hecho, la presión máxima de salida en la salida de la bomba depende de este indicador);
• Baja solubilidad de los gases.

Entre las desventajas, además de la toxicidad de sus vapores, vale la pena señalar la alta presión de vapor a temperatura ambiente y esto limita la presión residual máxima al nivel de 10 ^ -3 mm Hg. Art. (resuelto mediante la instalación de trampas de nitrógeno), así como una alta actividad química. Creo que todos recuerdan del curso de química escolar que el mercurio con metales forma amalgamas. Y aquí surge la pregunta, pero ¿por qué, con tales inconvenientes, se usó en bombas? Y lo usaron en aquellos lugares donde el vapor de mercurio es el medio de trabajo o en casos donde se necesita una alta pureza (ausencia de hidrocarburos) del medio de trabajo (por ejemplo, en espectrómetros de masas).

Desde el punto de vista de los proyectos de hobby, es más probable que este fluido de trabajo sea de interés histórico. Las bombas de vapor de mercurio como N-5SR-1, N-10R o N-50R se pueden encontrar bastante en el territorio del país, pero no se pueden usar, ya que es muy difícil encontrar mercurio grado P1 o P2. A menos que sea adecuado para una colección.

Los aceites minerales como VM-1, VM-5, que, según algunas fuentes, son producto de la destilación de parafina líquida, son mucho más fáciles de encontrar. Son baratos y más seguros para operar. 5 litros de VM-5C me costaron alrededor de 1300r, y se necesitan 70 ml para bombearlo. Es cierto que estos aceites no tienen la mayor estabilidad térmica y termooxidativa. En otras palabras, reaccionan con el aire y forman una capa resinosa en las partes de la bomba (esto es claramente visible en mi bomba). No puedo decir la velocidad de este proceso, pero su resultado resiste obstinadamente los intentos de eliminarlo.

Para las bombas de refuerzo, que exigen la estabilidad térmica y termooxidativa del aceite, se produce aceite BM-3 que puede soportar velocidades de bombeo de hasta 5000 l / s. La recuperación de esto es la baja presión de vapor a 20 ° C. Solo 1.33 * 10 ^ -2 Pa.

Los líquidos organosilícicos como VKZH-94AB, PFMS-2/5, FM-1, DC-705, DC-704 se describen mediante la fórmula general de la forma R [2SiO] nSiO [SiO] mSiR, donde R = (3) 3 o 3 (65) 2, M = CH3, F = C6H5. Poseer alta estabilidad termooxidativa. Incluso después de un uso prolongado en bombas, con aire atmosférico periódico, los líquidos organosilícicos no forman depósitos de alquitrán en las partes internas de las bombas. Permitir obtener presiones del orden de 10 ^ -9 mm RT. Art. sin el uso de enfriamiento profundo, y por lo tanto, las trampas de nitrógeno no son visibles en algunas instalaciones. Son caros (50 000r por 1 litro no es el límite).

Ésteres Aquí, se puede encontrar isooctil éter o polifenil éter (5F4E, Santovac 5, OS-124), un polímero de anillos de benceno unidos por oxígeno. Los enlaces en dicha cadena son muy fuertes y, por lo tanto, el líquido es muy resistente a la oxidación y también migra débilmente al volumen bombeado. Estos aceites también tienen buenas propiedades lubricantes. De cosas interesantes, vale la pena señalar que los productos de descomposición Santovac 5 son eléctricamente conductores (y para DC705, son eléctricamente aislantes). Y tampoco son baratos.

Tipos de bombas

Entonces, tenemos una bomba de chorro de vapor. En total, dependiendo del rango de presiones de operación y el principio de operación, existen tres tipos de bombas de chorro de vapor [1]:

• eyector - 760 - 10 ^ -2 mm Hg;
• refuerzo - 10 ^ -1 - 10 ^ -4 mm Hg;
• difusión - por debajo de 10 ^ -4 mm Hg

Solo estamos interesados ​​en lo último, ya que los dos primeros están diseñados para bombear rápidamente grandes volúmenes de gas, y aquí vamos a recibir vacío espacial a escala industrial, y no los tengo. Pero aún así, veamos cómo funcionan.

Las bombas eyectoras pueden ser agua, vapor, vapor, vapor y aceite. Muchos están familiarizados con la bomba eyectora de agua del curso de química escolar. Allí pasó bajo el nombre de una bomba de chorro de agua. Estoy seguro de que para algunos, él yace en algún lugar del cajón de la mesa y espera en las alas cuando, después del apocalipsis, será necesario establecer la vida (bueno, ¿cómo se puede vivir sin una bomba?).

Dichas bombas se utilizan (eyector, no chorro de agua) para bombear grandes volúmenes de gases (y no solo gases) a presiones de 760 - 10 ^ -2 mm Hg ...

El principio de funcionamiento de una bomba de este tipo (la imagen se tomó de un recurso ocupado ) es muy simple. En el caso de una bomba de vapor-vapor / aceite de vapor, el aumento de vapor (en comparación con la presión del gas bombeado) fluye fuera de la boquilla en forma de chorro turbulento o laminar y, expandiéndose hacia la cámara de mezcla 2, se expande. Además, todo depende de la velocidad del chorro, su densidad y presión del gas bombeado. A alta densidad de chorro y presión de gas, el chorro es de naturaleza turbulenta. Parte del gas se "apaga" por la turbulencia del chorro y se lo lleva. También hay una captura viscosa debido a la fricción de las capas límite del chorro y las capas de gas adyacentes. A medida que disminuye la velocidad y la densidad del chorro y la presión del gas, aumenta el papel de la captura viscosa. Y a una presión del orden de 10 ^ -7 mm RT. Art. El mecanismo de captura se vuelve completamente difusivo.

Además, el chorro de vapor es un obstáculo para el gas bombeado y evita su flujo de retorno al volumen bombeado. Debido al suministro limitado de energía cinética de las moléculas, el vapor puede soportar una cierta caída de presión (a veces escriben sobre la relación de compresión o la presión de la descomposición del chorro). Para una bomba eyectora, de acuerdo con [1, p.12], esto es aproximadamente 5-10. Una etapa de un eyector esférico en una bomba eyectora de vacío , cuando se libera a la atmósfera, puede bombear hasta 100-150 mm RT. Art.

En la tecnología de vacío doméstico, las bombas eyectoras de vapor y aceite de vapor se encuentran solo en forma de una etapa de salida de las bombas de refuerzo y de difusión. Pero el agua se usa con toda su fuerza, incluso para la organización de sistemas de suministro de agua y en la producción de petróleo .

Las bombas de refuerzo también se utilizan para bombear grandes volúmenes de gases, pero ya a presiones de 10 ^ -1 - 10 ^ -4 mm Hg. Art. Un gráfico típico de la dependencia de la velocidad de bombeo de la presión de entrada:



El rango de presión de operación de estas bombas es interesante porque el mecanismo viscoso de la "captura" de gas opera en el extremo superior del rango, y el proceso de difusión (gas bombeado en la corriente de vapor) opera en el extremo inferior del rango. En este sentido, para un mejor bombeo, a altas presiones, el chorro debe ser lo suficientemente denso, y a baja - suficientemente enrarecido. También es necesario obtener un alto rendimiento en todo el rango de presión.

Debido a esto, el diseño de las bombas de refuerzo resultó ... bastante inusual Si ve algo entre los aisladores de alto voltaje (por alguna razón, metal), los pepelats y un robot de la ficción de los años 60, entonces esta es definitivamente una bomba de refuerzo. No lo creo? Mire la serie de bombas BN-, NVBM- y especialmente en 2NVBM-. Por ejemplo, 2NVBM-630/18000, con una altura de 2.7 my una velocidad de acción de 18,600 l / s, o BN-2000, un tamaño un poco más modesto, causan una impresión indeleble.



Los libros sobre tecnología de vacío mencionan que hay bombas con una velocidad de acción de hasta 200,000 l / s. Seguramente en este se puede equipar un apartamento de una habitación con un taller y un suministro de alimentos durante tres meses. Aunque, hay bombas de tamaño más modesto.

Consideremos con más detalle el diseño de la bomba con el ejemplo de NVBM-2.5 [1, p.16]. Bomba de cuatro etapas. Tres boquillas, que recuerdan a las sombrillas de playa, se plantan en una línea de vapor de tres velocidades 4. Debajo del deflector de aceite 2 hay una boquilla de la primera etapa, que garantiza la velocidad máxima de bombeo a una presión de parada de chorro baja. Lo principal es capturar la mayor cantidad de gas posible. La segunda etapa debe proporcionar presión debajo de la primera etapa por debajo de la presión del puesto, etc. Se instala la última etapa del eyector, que tiene la presión más alta para detener el chorro y, de hecho, establece la presión de salida máxima (aproximadamente 100 Pa).

Designaciones en la imagen: 1 - brida de entrada; 2 - deflector de aceite; 3 - caso; 4 - línea de vapor; 5 - caldera; 6 - calentador interno; 7 - boquilla eyectora; 8 - eyector confusor; 9 - brida de salida; 10 - trampa de disco;

Una de las características distintivas de las bombas de refuerzo es el tamaño más grande, en comparación con la difusión, del evaporador o la caldera (el volumen donde ocurre la vaporización) 5, ya que la presión de vapor se requiere un orden de magnitud mayor que el de las bombas de difusión. Y dado que la operación de la etapa de refuerzo NVBM-2.5 requiere una presión aún mayor que la operación de las etapas restantes, la fuente de alimentación de las etapas individuales se divide por vapor debido a la instalación de diafragmas en la línea de vapor.

La presión residual (generalmente no mencionada en la documentación de las bombas de refuerzo) está determinada principalmente por el flujo de retorno del vapor del fluido de trabajo. Y es mucho más grande que el de las bombas de difusión. Para las bombas de refuerzo de la serie 2NVBM, es de 0.8 mg / (h * cm2), y para las series de difusión de NVDM - 4.8 * 10 ^ -2 mg / (h * cm2). Si la presencia de hidrocarburos en su cámara de vacío es crítica, entonces las bombas de refuerzo no son su opción. Pero si necesita bombear una instalación en la que hay una importante evolución de gas, y todavía necesita bombear mucho y constantemente, entonces esta es su opción. Los hornos de inducción al vacío y de arco, hornos de secado y, si alguien tiene, túneles de viento supersónicos son los principales clientes de estas bombas.

Finalmente llegamos a las bombas de difusión que nos interesan. Y aquí, parece, uno puede comenzar con la frase de que la bomba de difusión es similar a una bomba de refuerzo, solo su carcasa puede tener una etapa cilíndrica y eyectora, y tal vez sea pequeña, pequeña.

Y si observa el circuito de la bomba [2, p. 39], tal afirmación es bastante cierta, con la excepción de algunas diferencias. Más sobre esto a continuación, pero primero entenderemos, al menos aproximadamente, lo que está sucediendo dentro de la bomba.

Designaciones en la imagen: 1 - calentador; 2 - caldera; 3, 4, 5 - tuberías de vapor; 6 - boquilla eyectora; 7 - boquilla de la tercera etapa; 8 - boquilla de la segunda etapa; 9 - boquilla de la primera etapa;

Las bombas de difusión funcionan a presiones de 10 ^ -4 mm Hg. Art. y debajo, cuando el régimen de flujo de gas se vuelve molecular y podemos decir que las moléculas de gas casi no chocan entre sí y con las paredes de la bomba (después del llamado diafragma de difusión, el espacio entre las paredes de la bomba y la boquilla de la primera etapa pasa) y podemos decir que vuelan como en la imagen de la derecha:

Espero una explicación tan primitiva que no me pateen. Entonces, las moléculas de gas vuelan a través de la entrada de la bomba y se mueven hacia el chorro de vapor. Algunas de las moléculas de gas se reflejan de nuevo al encontrar moléculas de vapor pesadas, mientras que las moléculas restantes pueden ser "capturadas" y llevadas por el chorro. Además, el mecanismo de "captura" es causado por los procesos de difusión [1, p.20]. La velocidad de difusión es desigual a lo largo del chorro: en la boquilla, donde la diferencia en la concentración de gas en el chorro y sobre el chorro es mayor, es mayor; A medida que se aleja de la boquilla, el chorro de vapor se satura con gas y la velocidad de difusión disminuye.
El chorro de vapor transporta gas a las paredes de la bomba, donde se condensa, y el gas, después de haber recibido un pulso del chorro en la dirección de bombeo, fluye en una capa de pared estrecha hacia el tubo de salida. En este caso, la etapa de expulsión, si la hay, puede ayudarlo. Por cierto, las boquillas 7, 8 y 9 se denominan difusión.

Bueno, si hay un proceso de difusión, entonces, por supuesto, hay un proceso de anti-difusión. Sin embargo, este proceso se vuelve significativo solo en la región de bajas presiones de salida, donde la velocidad de bombeo de la bomba comienza a disminuir. Es cierto que todo no se limita a la antidifusión, y los gases que el chorro de vapor extrae de la caldera de la bomba (los que se han disuelto con éxito en el fluido de trabajo durante la condensación de vapor) y la evolución de gas de las paredes de la bomba comienzan a desempeñar un papel importante.

El gráfico de la dependencia de la velocidad de bombeo de la presión de entrada se toma de la documentación de las bombas NVDS. Aquí, el área de la velocidad máxima de la bomba ya es más larga, y luego sigue una fuerte disminución. Naturalmente, el gráfico se obtuvo para una bomba que funciona con el fluido de trabajo recomendado y una cierta potencia del calentador. Si desea usar otro fluido de trabajo, tendrá que disparar este programa usted mismo, eligiendo el modo óptimo de operación.

Si observa el interior de la carcasa de la bomba NVDS-100, en la parte inferior notará anillos con forma de bola que parecen un laberinto para niños. Este diseño se llama evaporador laberíntico.



¿Por qué es necesario? En muchas bombas de difusión, de acuerdo con las instrucciones, es necesario verter todo el lodoEs necesario rellenar aceites especiales de vacío (VM-1, VM-5 y otros), que son una mezcla de diferentes fracciones con diferentes masas molares, puntos de ebullición, etc. Esto no es mercurio ultra puro. Sin embargo, para el funcionamiento de diferentes etapas de la bomba, se requieren fluidos con diferentes características. Para el funcionamiento de la primera etapa, que determina (como en la bomba de refuerzo) la velocidad de la bomba y la presión residual máxima, se necesita un líquido con baja presión de vapor a temperatura ambiente y a una temperatura de trabajo en la caldera (para obtener un chorro de baja densidad); Para la etapa de salida, que determina la presión de salida máxima, la presión de vapor a temperatura ambiente no es importante, pero se necesita la presión de vapor más alta posible a la temperatura de funcionamiento para crear un chorro de alta densidad.

Y aquí el evaporador laberíntico entra en la arena, así como las propiedades de los aceites mismos, que, al fluir a través del evaporador, se fraccionan y las fracciones pesadas con baja presión de vapor se alimentan a la primera etapa, y las fracciones ligeras con alta elasticidad se transfieren a la última. En general, un cubo de destilación al servicio del progreso tecnológico.

Ventajas

Las ventajas de las bombas de vapor y aceite son bastante obvias (en comparación con otros tipos de bombas de alto vacío):

• Simplicidad de diseño. Partes mínimas sin partes móviles. No hay cambio de grasa en los rodamientos ni en los mismos, como en las bombas turbomoleculares. Y sin ruido.
• Simplicidad de operación. Mantenga un registro del nivel de aceite (algunas bombas tienen medidores de nivel), temperatura y enfriamiento, y estará feliz. Puede atornillar el controlador de potencia más simple en el tiristor o controlador PID al calentador y eso es todo.
• Precio y / o "capacidad de entrega". Comprar una bomba de difusión es mucho más simple y económico que una turbomolecular. No guardo silencio sobre los nuevos, los precios de ambos tipos de bombas son atractivos, aunque la difusión es varias veces más barata.

Desventajas

Con la simplicidad tentadora de las bombas de aceite de vapor (y no hay nada especial que descomponer allí), existen desventajas derivadas de las ventajas de la bomba y las propiedades de los fluidos de trabajo. Lo más significativo:

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Durante el proceso de limpieza, apareció un juego bastante decente en las bombas. La segunda etapa y las posteriores "viajan" en la tubería de vapor de la primera etapa en 1-2 mm. Una búsqueda en Internet no arrojó ningún resultado, pero los empleados de la planta de VAKMA (también conocido como Vakuummash) vinieron al rescate y ¡muchas gracias a ellos! Fue esta planta la que fabricó ambas bombas en 1985.

Resultó que en las bombas no hay juntas de ajuste que le permitan establecer los espacios libres necesarios. Como resultado, la línea de vapor de la primera etapa simplemente se situó en la parte inferior y, al parecer, el aceite no llegó muy bien. Al mismo tiempo, la bomba funcionó durante muchos años seguidos.

A continuación se establecerán los espacios libres correctos, ensamblando la bomba con una trampa y una válvula de vacío, verificando si hay fugas y la primera puesta en marcha. Pero esto será en el próximo artículo. Espero que para entonces la búsqueda de piezas para mi sistema también avance.

Que leer

1. Zeitlin A.B. Bombas de vacío de chorro de vapor - M .: Ingeniería mecánica, 1980.
2. Operación del equipo de vacío / Kuznetsov V. I., Nemilov N. F., Shemyakin V. E .; Debajo del total. ed. R. A. Nilendera - M.: Energía, 1978.
3. Zakirov F.G., Nikolaev E.A.Otkachnik-aspiradora - M .: Escuela Superior, 1977.
4. Tecnología de vacío Rozanov L. N.: Libro de texto para universidades en especial. "Tecnología de vacío". - 2ª ed., Revisada. y agregar. - M .: Escuela Superior, 1990.
5. Tecnología de vacío. Libro de referencia / Frolov E.S., Minaichev V.E., Aleksandrova A.T., etc. bajo el general. ed. Frolova E.S., Minaicheva V.E. - M.: Ingeniería Mecánica, 1985