Rêves d'un vide profond (partie 1). Pompe à vapeur-huile à diffusion: réanimation et un peu de théorie

Le sujet de l'équipement sous vide a plus d'une fois augmenté dans l'immensité de Habr. Par exemple, ce sont des articles sur un microscope électronique dans un garage , sur la pulvérisation magnétron et même sur un système laser à vapeur de cuivre fait maison . Certains de ces articles mentionnaient des pompes à huile à vapeur. Maintenant, je suggère que toutes les personnes intéressées examinent de plus près l'appareil et les caractéristiques de ces pompes.

Comment tout a commencé

Il n'y a pas si longtemps, je suis devenu propriétaire de deux moteurs-fusées de missiles de la classe "peut-être voler" de pompes à vapeur à vapeur NVDS-100, ce qui m'a un peu plus que le prix de la ferraille. Pendant longtemps, j'ai voulu mettre la main sur une telle chose, parce que j'ai toujours voulu «regarder» à l'intérieur d'une pompe qui fonctionne. Je voulais également essayer le processus de dépôt de métal dans le vide, ce qui peut être tout à fait pertinent pour ma passion pour l'astronomie et les prix mordants des grands miroirs pour télescopes. Bien que la technique du vide me semble à peu près la même que les moteurs des vaisseaux spatiaux et qu'il y avait de grands doutes, les excellents articles Reactos m'ont incité à aller dans cette direction. Oui, et à la vue de telles pompes, je ressens une certaine nostalgie du lieu où j'avais pratiqué à l'institut (puis travaillé). C'était une usine pour la production de résonateurs et de générateurs à quartz, où dans les entrailles des magasins il y avait beaucoup de choses étranges (souvent déjà uniques) telles que des goniomètres à rayons X, des usines de gravure au plasma ionique, des fers à souder pour sceller des dizaines de résonateurs sous vide ou dans une atmosphère gazeuse, mais le plus, à mon avis, look, épique - installation de pulvérisation sous vide UVN-71.



Lorsque vous vous promenez dans l'atelier avec des rangées d'installations où des fils, des tuyaux sortent, des jets de vapeur blanche sortent périodiquement des pièges à azote et des vaisseaux Dewar, et d'en haut, pendant de nombreuses décennies d'affilée, des ours et des lièvres en caoutchouc avec des visages tristes et très sales montés sur des tiges qui tournent ... En général, un paysage inoubliable dans l'esprit d'un steampunk post-apocalyptique.

Revenons donc aux pompes.



Leur vie était rude, mais pas impitoyable. À l'intérieur, beaucoup d'huile gelée aurait dû être retirée, mais sinon, elle avait l'air assez décente: les joints étaient en place, les enceintes étaient entières, les radiateurs étaient chauds, mais je ne pourrais rien dire de plus à leur sujet.



De l'agréable: sur l'une des pompes, il y avait un réflecteur refroidi par eau ou un piège refroidi par eau (j'ai rencontré les deux noms), conçu pour réduire la quantité de vapeur d'huile entrant dans la chambre à vide. La chose est très utile, mais elle réduit les performances de la pompe de 20 à 30%, si vous en croyez les livres. Un obturateur à vide a ensuite été acheté. Il est nécessaire de couper l'entrée de la pompe de la chambre à vide, ce qui permet à l'air d'être introduit dans la chambre sans éteindre la pompe (plus précisément, sans la refroidir). Il est strictement interdit de laisser l'air pénétrer dans une pompe encore chaude, et j'expliquerai plus loin à quoi mène le non-respect de cette règle.

Il était possible de laver les pompes assez facilement avec de l'acétone ordinaire, qui dissolvait l'huile congelée, comme le sucre, l'eau chaude. Après trois litres d'acétone, deux heures de bain, il s'est avéré que le déflecteur d'huile avait été retiré de la pompe (on l'appelait aussi «bouchon froid»). Avant cela, il a tenu si fort que j'ai soulevé la pompe pour lui et j'étais sûr qu'il s'agissait d'une structure non séparable. C'est vrai, c'est la seule chose qui se joue.



L'intérieur de la pompe n'a été retiré qu'après avoir réchauffé la pompe, lorsque l'huile congelée a fondu. Et ici, il est clairement visible que les pièces en aluminium ont perdu leur couleur habituelle et se sont recouvertes d'un affaissement. Nous y reviendrons plus loin.



Et pour ceux qui peignent l'acier inoxydable avec de l'argent, en enfer il y aura une chaudière séparée!

Un peu de théorie

Avant de penser au plaisir commence, je propose de trier ce que sont généralement les pompes et ce qui est versé dedans. Sur sec ne fonctionne pas.

Fluides de travail

Pour les fluides de travail, plusieurs paramètres importants déterminent le résultat d'une pompe:

• Résistance à la vapeur à 20 ° C Ce paramètre, dans le cas idéal, détermine la pression résiduelle ultime qui peut être atteinte en utilisant un tel liquide.
  
• Le point d'ébullition auquel la pression de vapeur est de 1,33 Pa (1,10 x 10 ^ 2 mmHg)
  
• Point d'éclair et auto-inflammation. Oui, avec une surchauffe grave de la pompe et une percée d'air atmosphérique, vous pouvez obtenir un turboréacteur au lieu d'une pompe.
  
• Stabilité à l'oxydation et stabilité hydrolytique. Un paramètre important, bien qu'il n'ait généralement pas d'expression numérique, vous devez donc vous fier aux adjectifs et aux degrés comparatifs. En fait, la situation ici est simple. Pour l'utilisateur, il est exprimé que certaines huiles peuvent résister à une percée aléatoire de l'air atmosphérique à la température de fonctionnement, et certaines sont généralement capables de fonctionner avec des processus de pompage à cycle rapide sans soupape. En d'autres termes, ils sont capables de travailler dans un cycle de pompage -> entrée d'air -> pompage.
  
• Toxicité Les fluides de travail modernes, s'ils ne sont pas bu (et parfois s'ils sont ivres), sont non toxiques ou peu toxiques. Mais vérifiez sur vous-même n'en vaut pas la peine.
  
• Dans certaines applications, vous devez examiner le comportement des produits de décomposition du fluide de travail et de ses vapeurs. Pas très agréable, par exemple, si vous voulez travailler avec des vapeurs de césium, et il réagit soudainement de manière célèbre avec des vapeurs d'huile sous vide.
  

Comme le fluide de travail peut être utilisé:

• le mercure;
• huile minérale;
• liquides organosiliciés;
• esters.

Le mercure présente des avantages très importants:

• uniformité de composition;
• résistance à l'oxydation et stabilité;
• pression de vapeur élevée à la température de fonctionnement (en fait, la pression de sortie maximale à la sortie de la pompe dépend de cet indicateur);
• faible solubilité des gaz.

Parmi les inconvénients, outre la toxicité de ses vapeurs, il convient de noter la pression de vapeur élevée à température ambiante et cela limite la pression résiduelle maximale au niveau de 10 ^ -3 mm Hg. Art. (résolu par l'installation de pièges à azote), ainsi qu'une activité chimique élevée. Je pense que tout le monde se souvient du cours de chimie scolaire que le mercure avec les métaux forme des amalgames. Et ici, la question se pose, mais pourquoi, avec de tels inconvénients, a-t-il été utilisé dans les pompes? Et ils l'ont utilisé dans les endroits où la vapeur de mercure est le milieu de travail ou dans les cas où une grande pureté (absence d'hydrocarbures) du milieu de travail est nécessaire (par exemple, dans les spectromètres de masse).

Du point de vue des projets de passe-temps, ce fluide de travail est plus susceptible d'être d'intérêt historique. Les pompes à vapeur de mercure comme N-5SR-1, N-10R ou N-50R peuvent être trouvées sur le territoire du pays, mais elles ne peuvent pas être utilisées, car il est très difficile de trouver du mercure de classe P1 ou P2. Sauf si adapté à une collection.

Les huiles minérales comme VM-1, VM-5, qui, selon certaines sources, sont un produit de la distillation de la paraffine liquide, sont beaucoup plus faciles à trouver. Ils sont bon marché et plus sûrs à exploiter. 5 litres de VM-5C m'ont coûté environ 1300r, et il faut 70 ml pour le pomper. Certes, ces huiles n'ont pas la plus grande stabilité thermique et thermo-oxydante. En d'autres termes, ils réagissent avec l'air et forment un revêtement résineux sur les pièces de la pompe (cela est clairement visible sur ma pompe). Je ne peux pas dire pour la vitesse de ce processus, mais son résultat résiste obstinément aux tentatives de suppression.

Pour les pompes de surpression, qui sont exigeantes sur la stabilité thermique et thermo-oxydante de l'huile, l'huile BM-3 est produite qui peut supporter des vitesses de pompage allant jusqu'à 5000 l / s. Le retour sur investissement est une faible pression de vapeur à 20 ° C. Seulement 1,33 * 10 ^ -2 Pa.

Les liquides organosiliciés comme VKZH-94AB, PFMS-2/5, FM-1, DC-705, DC-704 sont décrits par la formule générale de la forme R [2SiO] nSiO [SiO] mSiR, où R = (3) 3 ou 3 (65) 2, M = CH3, F = C6H5. Possède une stabilité thermo-oxydante élevée. Même après une utilisation prolongée dans les pompes, avec de l'air atmosphérique périodique, les liquides organosiliciés ne forment pas de dépôts de goudron sur les parties internes des pompes. Laisser obtenir des pressions de l'ordre de 10 ^ -9 mm RT. Art. sans l'utilisation d'un refroidissement en profondeur, et par conséquent, les pièges à azote ne sont pas visibles sur certaines installations. Ils sont chers (50 000r pour 1 litre n'est pas la limite).

Esters . Ici, on peut trouver de l'éther isooctylique ou de l'éther polyphénylique (5F4E, Santovac 5, OS-124) - un polymère issu de cycles benzéniques reliés par de l'oxygène. Les liaisons dans une telle chaîne sont très fortes, et donc le liquide est très résistant à l'oxydation, et migre également faiblement vers le volume pompé. Ces huiles ont également de bonnes propriétés lubrifiantes. Il est intéressant de noter que les produits de désintégration Santovac 5 sont électriquement conducteurs (et pour le DC705, ils sont électriquement isolants). Et ils ne sont pas non plus bon marché.

Types de pompes

Nous avons donc une pompe à jet de vapeur. Au total, selon la plage de pressions de fonctionnement et le principe de fonctionnement, il existe trois types de pompes à jet de vapeur [1]:

• éjecteur - 760 - 10 ^ -2 mm Hg;
• rappel - 10 ^ -1 - 10 ^ -4 mm Hg;
• diffusion - inférieure à 10 ^ -4 mm Hg

Nous ne nous intéressons qu'à ce dernier, car les deux premiers sont conçus pour pomper rapidement de gros volumes de gaz, et ici nous allons recevoir le vide spatial à l'échelle industrielle, et je ne les ai pas. Mais voyons comment ils fonctionnent.

Les pompes à éjecteur peuvent être de l'eau, de la vapeur, de la vapeur, de la vapeur et de l'huile. Beaucoup connaissent la pompe à éjecteur d'eau du cours de chimie scolaire. Là, il est passé sous le nom d'une pompe à jet d'eau. Je suis sûr que pour certains, il se trouve quelque part dans le tiroir de la table et attend dans les coulisses quand, après la post-apocalypse, il sera nécessaire de rétablir la vie (enfin, sans pompe?).

De telles pompes sont utilisées (éjecteur, pas jet d'eau) pour pomper de grands volumes de gaz (et pas seulement des gaz) à des pressions de 760 - 10 ^ -2 mm Hg ...

Le principe de fonctionnement d'une telle pompe (la photo a été prise à partir d' une ressource occupée ) est très simple. Dans le cas d'une pompe vapeur-vapeur / vapeur-huile, une augmentation de la vapeur (par rapport à la pression du gaz pompé) s'écoule de la buse sous la forme d'un jet turbulent ou laminaire et, se dilatant dans la chambre de mélange 2, se dilate. De plus, tout dépend de la vitesse du jet, de sa densité et de la pression du gaz pompé. À haute densité de jet et pression de gaz, le jet est de nature turbulente. Une partie du gaz est «arrêtée» par la turbulence du jet et emportée. Il y a également un piégeage visqueux dû au frottement des couches limites du jet et des couches de gaz adjacentes. À mesure que la vitesse et la densité du jet et de la pression du gaz diminuent, le rôle de la capture visqueuse augmente. Et à une pression de l'ordre de 10 ^ -7 mm RT. Art. le mécanisme de capture devient complètement diffusif.

De plus, le jet de vapeur est un obstacle au gaz pompé et empêche son reflux dans le volume pompé. En raison de l'apport limité d'énergie cinétique des molécules, la vapeur peut résister à une certaine chute de pression (parfois elles écrivent sur le taux de compression ou la pression de la panne du jet). Pour une pompe à éjecteur, selon [1, p.12], c'est environ 5-10. Un étage d'un éjecteur sphérique dans une pompe à éjecteur à vide , lorsqu'il est libéré dans l'atmosphère, peut pomper jusqu'à 100-150 mm RT. Art.

Dans la technologie du vide domestique, les pompes d'éjection de pression de vapeur et d'huile à vapeur se trouvent uniquement sous la forme d'un étage de sortie de pompes de surpression et de diffusion. Mais l'eau est utilisée à plein régime, y compris pour l'organisation des systèmes d'approvisionnement en eau et pour la production de pétrole .

Les pompes de surpression sont également utilisées pour pomper de grands volumes de gaz, mais déjà à des pressions de 10 ^ -1 - 10 ^ -4 mm Hg. Art. Un graphique typique de la dépendance de la vitesse de pompage sur la pression d'entrée:



La plage de pression de fonctionnement de ces pompes est intéressante en ce que le mécanisme visqueux de «capture» de gaz fonctionne à l'extrémité supérieure de la plage, et le processus de diffusion (gaz pompé dans le flux de vapeur) fonctionne à l'extrémité inférieure de la plage. À cet égard, pour un meilleur pompage, à haute pression, le jet doit être suffisamment dense et à faible - suffisamment raréfié. Il est également nécessaire d'obtenir des performances élevées dans toute la plage de pression.

Pour cette raison, la conception des pompes de surpression s'est avérée .... assez inhabituel. Si vous voyez quelque chose entre les isolateurs haute tension (pour une raison quelconque en métal), les pepelats et un robot de la fiction des années 60, alors c'est certainement une pompe d'appoint. Ne croyez pas? Regardez la série de pompes BN-, NVBM- et surtout sur 2NVBM-. Par exemple, le 2NVBM-630/18000, avec une hauteur de 2,7 m et une vitesse d'action de 18 600 l / s, ou le BN-2000, de taille un peu plus modeste, font une impression indélébile.



Les livres sur la technologie du vide mentionnent qu'il existe des pompes avec une vitesse d'action allant jusqu'à 200 000 l / s. Sûrement dans celui-ci peut équiper un studio avec un atelier et un approvisionnement en nourriture pour trois mois. Cependant, il existe des pompes de taille plus modeste.

Examinons plus en détail la conception de la pompe par l'exemple de NVBM-2.5 [1, p.16]. Pompe à quatre étages. Trois buses, rappelant les parasols, sont plantées sur une ligne de vapeur à trois vitesses 4. Sous le déflecteur d'huile 2 se trouve une buse du premier étage, qui assure une vitesse de pompage maximale à faible pression de décrochage de jet. L'essentiel est de capter le plus de gaz possible. Le deuxième étage doit fournir une pression sous le premier étage en dessous de la pression du décrochage, etc. Le dernier étage d'éjection est installé, qui a la pression la plus élevée pour le blocage du jet et, en fait, définit la pression de sortie maximale (environ 100 Pa).

Désignations dans l'image: 1 - bride d'entrée; 2 - déflecteur d'huile; 3 - cas; 4 - ligne de vapeur; 5 - chaudière; 6 - chauffage interne; 7 - buse d'éjection; 8 - confus éjecteur; 9 - bride de sortie; 10 - piège à disque;

L'une des caractéristiques distinctives des pompes d'appoint est la plus grande, par rapport à la diffusion, de la taille de l'évaporateur ou de la chaudière (le volume où se produit la vaporisation) 5, car la pression de vapeur est requise d'un ordre de grandeur supérieur à celui des pompes à diffusion. Et comme le fonctionnement de l'étage de surpression NVBM-2.5 nécessite une pression encore plus élevée que le fonctionnement des étages restants, l'alimentation électrique des étages individuels est divisée par la vapeur en raison de l'installation de diaphragmes dans la conduite de vapeur.

La pression résiduelle (généralement non mentionnée dans la documentation des pompes de surpression) est principalement déterminée par le débit de retour de la vapeur du fluide de travail. Et il est beaucoup plus grand que celui des pompes à diffusion. Pour les pompes de surpression de la série 2NVBM, elle est de 0,8 mg / (h * cm2) et pour les séries de diffusion de NVDM - 4,8 * 10 ^ -2 mg / (h * cm2). Si la présence d'hydrocarbures dans votre chambre à vide est critique, alors les pompes de surpression ne sont pas votre option. Mais si vous avez besoin de pomper une installation dans laquelle il y a un dégagement gazeux important, et que vous devez encore pomper beaucoup et constamment, alors c'est votre option. Les fours à induction et à arc sous vide, les fours de séchage et, le cas échéant, les souffleries supersoniques sont les principaux clients de ces pompes.

Enfin, nous sommes arrivés aux pompes de diffusion qui nous intéressent. Et ici, il semblerait, on peut s'en tirer avec la phrase que la pompe de diffusion est similaire à une pompe de surpression, seul son boîtier peut avoir un étage cylindrique et éjecteur, et peut-être qu'il est petit, petit.

Et si vous regardez le circuit de la pompe [2, p. 39], une telle affirmation est tout à fait vraie, à l'exception de quelques différences. Plus d'informations à ce sujet ci-dessous, mais nous allons d'abord comprendre, au moins approximativement, ce qui se passe à l'intérieur de la pompe.

Désignations dans l'image: 1 - chauffage; 2 - chaudière; 3, 4, 5 - pipelines de vapeur; 6 - buse d'éjection; 7 - buse du troisième étage; 8 - buse du deuxième étage; 9 - buse du premier étage;

Les pompes à diffusion fonctionnent à des pressions de 10 ^ -4 mm Hg. Art. et ci-dessous, lorsque le régime d'écoulement du gaz devient moléculaire et on peut dire que les molécules de gaz n'entrent presque pas en collision les unes avec les autres et avec les parois de la pompe (après le soi-disant diaphragme de diffusion - l'écart entre les parois de la pompe et la buse du premier étage passe) et nous pouvons dire que ils volent comme sur la photo de droite:

J'espère que pour une explication aussi primitive, ils ne me donneront pas de coups de pied. Ainsi, les molécules de gaz passent par l'entrée de la pompe et se dirigent vers le jet de vapeur. Certaines des molécules de gaz sont réfléchies en rencontrant des molécules de vapeur lourde, tandis que les molécules restantes peuvent être «capturées» et emportées par le jet. De plus, le mécanisme de «capture» est provoqué par des processus de diffusion [1, p.20]. La vitesse de diffusion est inégale sur la longueur du jet: au niveau de la buse, où la différence de concentration de gaz dans le jet et sur le jet est la plus grande, elle est plus grande; lorsque vous vous éloignez de la buse, le jet de vapeur est saturé de gaz et le taux de diffusion diminue.
Le jet de vapeur transporte le gaz vers les parois de la pompe, où il se condense, et le gaz, ayant reçu une impulsion du jet dans la direction de pompage, s'écoule dans une couche de paroi étroite vers le tuyau de sortie. Dans ce cas, l'étape d'éjection, le cas échéant, pourrait bien l'aider. Soit dit en passant, les buses 7, 8 et 9 sont appelées diffusion.

Eh bien, s'il y a un processus de diffusion, alors bien sûr il y a un processus d'anti-diffusion. Cependant, ce processus ne devient significatif que dans la région des basses pressions de sortie, où la vitesse de pompage de la pompe commence à chuter. Certes, tout ne se limite pas à l'anti-diffusion, et les gaz qui sont évacués par le jet de vapeur de la chaudière de la pompe (ceux qui se sont dissous avec succès dans le fluide de travail lors de la condensation de vapeur) et le dégagement gazeux des parois de la pompe commencent à jouer un rôle important.

Le graphique de la dépendance de la vitesse de pompage à la pression d'entrée est extrait de la documentation des pompes NVDS. Ici, la zone de vitesse maximale de la pompe est déjà plus longue, puis une forte baisse s'ensuit. Naturellement, le graphique a été obtenu pour une pompe fonctionnant avec le fluide de travail recommandé pour elle et une certaine puissance de chauffage. Si vous souhaitez utiliser un autre fluide de travail, vous devrez photographier ce programme vous-même, en choisissant le mode de fonctionnement optimal.

Si vous regardez à l'intérieur du boîtier de la pompe NVDS-100, vous remarquerez en bas des anneaux qui ressemblent à un labyrinthe pour enfants avec une balle. Cette conception est appelée un évaporateur à labyrinthe.



Pourquoi est-il nécessaire? Dans de nombreuses pompes à diffusion, selon les instructions, il est nécessaire de verser toute la boueil est nécessaire de remplir des huiles spéciales sous vide (VM-1, VM-5 et autres), qui sont un mélange de différentes fractions avec différentes masses molaires, points d'ébullition, etc. Ce n'est pas du mercure ultra pur. Cependant, pour le fonctionnement des différents étages de la pompe, des fluides de caractéristiques différentes sont nécessaires. Pour le fonctionnement de la première étape, qui détermine (comme dans la pompe de surpression) la vitesse de la pompe et la pression résiduelle maximale, un liquide à basse pression de vapeur à température ambiante et à température de travail dans la chaudière est nécessaire (pour obtenir un jet à faible densité); pour l'étage de sortie, qui détermine la pression de sortie maximale, la pression de vapeur à température ambiante n'est pas importante, mais la pression de vapeur la plus élevée possible à la température de fonctionnement est nécessaire pour créer un jet à haute densité.

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Les avantages

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• Simplicité de fonctionnement. Gardez une trace du niveau d'huile (certaines pompes ont des jauges de niveau), de la température et du refroidissement, et vous serez heureux. Vous pouvez visser le contrôleur de puissance le plus simple du thyristor ou du contrôleur PID au radiateur et c'est tout.
• Prix ​​et / ou «délivrabilité». L'achat d'une pompe à diffusion est beaucoup plus simple et moins cher qu'une pompe turbomoléculaire. Je ne parle pas des nouvelles, les prix des deux types de pompes sont tirés par des chevaux, bien que la diffusion soit plusieurs fois moins chère.

Inconvénients

Avec la simplicité alléchante des pompes à vapeur (et il n'y a rien de spécial à décomposer là-bas), il y a quelques inconvénients résultant des avantages de la pompe et des propriétés des fluides de travail. Le plus important:

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Et ensuite

Pendant le processus de nettoyage, un jeu assez décent est apparu dans les pompes. Le deuxième étage et les étages suivants «roulent» sur le tuyau de vapeur du premier étage de 1 à 2 mm. Une recherche sur Internet n'a donné aucun résultat, mais les employés de l'usine VAKMA (alias Vakuummash) sont venus à la rescousse et pour cela merci beaucoup! C'est cette usine qui a fabriqué les deux pompes en 1985.

Il s'est avéré que dans les pompes il n'y a pas de joints de réglage qui vous permettent de régler les jeux nécessaires. En conséquence, la conduite de vapeur du premier étage se tenait simplement au fond et, apparemment, le pétrole n'y arrivait pas très bien. Dans le même temps, la pompe a fonctionné pendant de nombreuses années consécutives.

Ensuite, il faudra régler les jeux corrects, assembler la pompe avec un piège et une soupape à vide, vérifier les fuites et le premier démarrage. Mais ce sera dans le prochain article. J'espère que d'ici là, la recherche de pièces pour mon système avancera également.

Que lire

1. .. — .: , 1980.
2. / . ., . ., . .; . éd. . . — .: , 1978.
3. . ., . . - — .: , 1977.
4. . . : . « ». — 2- ., . et ajoutez. — .: , 1990.
5. . / . ., . ., . . ..; . éd. . ., . . — .: , 1985