Sonhos de um vácuo profundo (parte 1). Bomba de difusão de óleo a vapor: ressuscitação e um pouco de teoria

O assunto do equipamento a vácuo mais de uma vez surgiu na vastidão de Habr. Por exemplo, são artigos sobre um microscópio eletrônico em uma garagem , sobre pulverização por magnetron e até sobre um sistema caseiro de laser a vapor de cobre . Alguns desses artigos mencionaram bombas de óleo a vapor. Agora, sugiro que todos os interessados ​​analisem mais de perto o dispositivo e os recursos dessas bombas.

Como tudo começou

Há pouco tempo, tornei-me proprietário de dois motores de foguete para mísseis da classe "talvez voe" de bombas de óleo a vapor de difusão NVDS-100, o que me custou um pouco mais do que o preço da sucata. Por um longo tempo, eu quis me apossar de uma coisa dessas, porque sempre quis “olhar” dentro de uma bomba em funcionamento. Eu também queria experimentar o processo de deposição de metais no vácuo, o que pode ser bastante relevante para minha paixão pela astronomia e pelos preços baixos de grandes espelhos para telescópios. Embora a técnica do vácuo pareça para mim o mesmo que os motores das naves estelares e houvesse grandes dúvidas, os excelentes artigos do reactos forneceram um incentivo adicional para avançar nessa direção. Sim, e ao ver essas bombas, sinto certa nostalgia pelo lugar onde pratiquei no instituto (e depois trabalhei). Era uma fábrica para a produção de ressonadores e geradores de quartzo, onde nas entranhas das lojas havia muitas coisas estranhas (muitas vezes já únicas), como goniômetros de raios-x, instalações de gravação a plasma de íons, ferros de solda para selar dezenas de ressonadores em atmosfera de vácuo ou gás, mas, na maioria, na minha opinião épico - instalação de pulverização a vácuo UVN-71.



Quando você caminha pela oficina com fileiras de instalações onde fios, mangueiras se destacam, jatos de vapor branco saem periodicamente de armadilhas de nitrogênio e embarcações Dewar, e de cima, por muitas décadas seguidas, ursos e lebres de borracha com rostos tristes e muito sujos montados em hastes girando ... Em geral, uma paisagem inesquecível no espírito de um steampunk pós-apocalíptico.

Então, de volta às bombas.



A vida deles era dura, mas não impiedosa. Lá dentro, foi encontrado muito óleo congelado que deveria ter sido removido de alguma forma, mas, de outra forma, parecia bastante decente: os selos estavam no lugar, os compartimentos estavam inteiros, os aquecedores estavam quentes, mas não pude dizer mais nada sobre eles.



Do agradável: em uma das bombas havia um refletor refrigerado a água da viga ou uma armadilha refrigerada a água (conheci os dois nomes), projetada para reduzir a quantidade de vapor de óleo que entra na câmara de vácuo. A coisa é muito útil, mas reduz o desempenho da bomba em 20 a 30%, se você acredita nos livros. Um obturador a vácuo foi adquirido posteriormente. É necessário cortar a entrada da bomba da câmara de vácuo, o que permite que o ar seja introduzido na câmara sem desligar a bomba (mais precisamente, sem esfriá-la). É estritamente proibido deixar o ar entrar em uma bomba ainda quente, e explicarei mais a que o não cumprimento desta regra leva.

Foi possível lavar as bombas com bastante facilidade usando acetona comum, que dissolveu o óleo congelado, como açúcar e água quente. Após três litros de acetona, duas horas de procedimentos de banho, verificou-se que o defletor de óleo foi removido da bomba (também chamado de “tampa fria”). Antes disso, ele segurou com tanta força que eu levantei a bomba para ele e tive certeza de que era uma estrutura não separável. É verdade que essa é a única coisa que se estrelou.



O interior da bomba foi removido somente após o aquecimento da bomba, quando o óleo congelado derreteu. E aqui é claramente visível que as peças de alumínio perderam a cor usual e ficaram cobertas com alguma flacidez. Voltaremos a isso ainda mais.



E para quem pintar o aço inoxidável com prata, no inferno haverá uma caldeira separada!

Pouco de teoria

Antes de pensar em diversão, proponho que tipos de bombas sejam geralmente e o que é derramado nelas. No seco não funciona.

Fluidos de trabalho

Para fluidos de trabalho, existem vários parâmetros importantes que determinam o resultado de uma bomba:

• Resistência ao vapor a 20 ° C. Este parâmetro, no caso ideal, determina a pressão residual máxima que pode ser alcançada usando esse líquido.
  
• O ponto de ebulição no qual a pressão do vapor é de 1,33 Pa (1,10x10 ^ 2mmHg)
  
• Ponto de inflamação e auto-ignição. Sim, com um superaquecimento grave da bomba e uma explosão de ar atmosférico, você pode obter um motor a jato em vez de uma bomba.
  
• Estabilidade contra oxidação e estabilidade hidrolítica. Um parâmetro importante, embora normalmente não tenha expressão numérica, você deve confiar em adjetivos e graus comparativos. Na verdade, a situação aqui é simples. Para o usuário, é expresso que alguns óleos podem suportar uma explosão aleatória do ar atmosférico à temperatura operacional, e alguns geralmente são capazes de trabalhar com processos de bombeamento de ciclo rápido sem valor. Em outras palavras, eles são capazes de trabalhar em um ciclo de bombeamento -> entrada de ar -> bombeamento.
  
• Toxicidade Os fluidos de trabalho modernos, se não estiverem bêbados (e às vezes se bêbados), não são tóxicos ou pouco tóxicos. Mas verifique a si mesmo não vale a pena.
  
• Em algumas aplicações, você precisa observar como se comportam os produtos de decomposição do fluido de trabalho e seu vapor. Não é muito legal, por exemplo, se você deseja trabalhar com vapores de césio, e ele de repente reage de maneira famosa com vapores de óleo a vácuo.
  

Como o fluido de trabalho pode ser usado:

• mercúrio;
• óleo mineral;
• líquidos de organossilício;
• ésteres.

Mercúrio tem alguns benefícios muito importantes:

• uniformidade na composição;
• resistência à oxidação e estabilidade;
• alta pressão de vapor na temperatura operacional (de fato, a pressão máxima de saída na saída da bomba depende deste indicador);
• baixa solubilidade de gases.

Entre as desvantagens, além da toxicidade de seus vapores, vale destacar a alta pressão de vapor à temperatura ambiente e isso limita a pressão residual máxima no nível de 10 ^ -3 mm Hg. Art. (resolvido pela instalação de armadilhas de nitrogênio), bem como alta atividade química. Acho que todo mundo se lembra do curso de química da escola que o mercúrio com metais forma amálgamas. E aqui surge a questão, mas por que, com essas desvantagens, foi usado em bombas? E eles foram usados ​​nos locais em que o vapor de mercúrio é o meio de trabalho ou nos casos em que é necessária alta pureza (ausência de hidrocarbonetos) do meio de trabalho (por exemplo, em espectrômetros de massa).

Do ponto de vista dos projetos de hobby, é mais provável que esse fluido de trabalho seja de interesse histórico. Bombas de vapor de mercúrio como N-5SR-1, N-10R ou N-50R podem ser encontradas no território do país, mas não podem ser utilizadas, pois é muito difícil encontrar mercúrio grau P1 ou P2. A menos que seja adequado para uma coleção.

Óleos minerais como VM-1, VM-5, que, segundo algumas fontes, são um produto da destilação de parafina líquida, são muito mais fáceis de encontrar. Eles são baratos e mais seguros para operar. 5 litros de VM-5C me custam cerca de 1300r e são necessários 70 ml para bombeá-lo. É verdade que esses óleos não têm a maior estabilidade térmica e termo-oxidativa. Em outras palavras, eles reagem com o ar e formam um revestimento resinoso nas peças da bomba (isso é claramente visível na minha bomba). Não sei dizer a velocidade desse processo, mas o resultado resiste teimosamente às tentativas de removê-lo.

Para bombas de reforço, exigentes quanto à estabilidade térmica e termo-oxidativa do óleo, é produzido o óleo BM-3 que suporta velocidades de bombeamento de até 5000 l / s. O retorno disso é a baixa pressão de vapor a 20 ° C. Apenas 1,33 * 10 ^ -2 Pa.

Líquidos organossiliconados como VKZH-94AB, PFMS-2/5, FM-1, DC-705, DC-704 são descritos pela fórmula geral da forma R [2SiO] nSiO [SiO] mSiR, onde R = (3) 3 ou 3 (65) 2, M = CH3, F = C6H5. Possui alta estabilidade termo-oxidativa. Mesmo após o uso prolongado em bombas, com ar atmosférico periódico, os líquidos de silício orgânico não formam depósitos de alcatrão nas partes internas das bombas. Deixe obter uma pressão da ordem de 10 ^ -9 mm RT. Art. sem o uso de resfriamento profundo e, portanto, as armadilhas de nitrogênio não são visíveis em algumas instalações. Eles são caros (50 000r por 1 litro não é o limite).

Ésteres . Aqui, éter isooctil ou éter polifenílico (5F4E, Santovac 5, OS-124) - um polímero de anéis de benzeno unidos por oxigênio, pode ser encontrado. As ligações nessa cadeia são muito fortes e, portanto, o líquido é muito resistente à oxidação e também migra fracamente para o volume bombeado. Esses óleos também têm boas propriedades lubrificantes. É interessante notar que os produtos de decaimento Santovac 5 são eletricamente condutores (e para o DC705, eles são eletricamente isolantes). E eles também não são baratos.

Tipos de bombas

Então, nós temos uma bomba de jato de vapor. No total, dependendo da faixa de pressões operacionais e do princípio de operação, existem três tipos de bombas de jato de vapor [1]:

• ejetor - 760 - 10 ^ -2 mm Hg;
• reforço - 10 ^ -1 - 10 ^ -4 mm Hg;
• difusão - abaixo de 10 ^ -4 mm Hg

Estamos interessados ​​apenas no último, uma vez que os dois primeiros são projetados para bombear rapidamente grandes volumes de gás, e aqui vamos receber vácuo espacial em escala industrial, e eu não os tenho. Mas ainda assim, vamos ver como eles funcionam.

As bombas ejetoras podem ser água, vapor, vapor, vapor e óleo. Muitos estão familiarizados com a bomba ejetora de água do curso de química da escola. Lá ele passou sob o nome de uma bomba de jato de água. Tenho certeza de que, para alguns, ele está em algum lugar na gaveta da mesa e está esperando nos bastidores quando, após o pós-apocalipse, será necessário estabelecer a vida (bem, que tal sem uma bomba?).

Tais bombas são usadas (ejetor, não jato de água) para bombear grandes volumes de gases (e não apenas gases) a pressões de 760 a 10 ^ -2 mm Hg ...

O princípio de operação dessa bomba (a foto foi tirada de um recurso ocupado ) é muito simples. No caso de uma bomba de vapor / vapor / óleo de vapor, o vapor aumentado (comparado à pressão do gás bombeado) flui para fora do bico na forma de um jato turbulento ou laminar e, expandindo-se para a câmara de mistura 2, se expande. Além disso, tudo depende da velocidade do jato, de sua densidade e pressão do gás bombeado. Em alta densidade de jato e pressão de gás, o jato é turbulento por natureza. Parte do gás é "desligada" pela turbulência do jato e levada embora. Há também uma captura viscosa devido ao atrito das camadas limite do jato e das camadas adjacentes de gás. À medida que a velocidade e a densidade da pressão do jato e do gás diminuem, o papel da captura viscosa aumenta. E a uma pressão da ordem de 10 ^ -7 mm RT. Art. o mecanismo de captura se torna completamente difusivo.

Além disso, o jato de vapor é um obstáculo para o gás bombeado e evita seu refluxo no volume bombeado. Devido ao suprimento limitado de energia cinética das moléculas, o vapor pode suportar uma certa queda de pressão (às vezes eles escrevem sobre a taxa de compressão ou a pressão da quebra do jato). Para uma bomba ejetora, de acordo com [1, p.12], isso é aproximadamente 5-10. Um estágio de um ejetor esférico em uma bomba ejetora a vácuo , quando liberado na atmosfera, pode bombear até 100-150 mm RT. Art.

Na tecnologia de vácuo doméstico, as bombas de ejeção de pressão de vapor e óleo de vapor são encontradas apenas na forma de um estágio de saída de bombas de reforço e difusão. Mas a água é usada com força total, inclusive na organização de sistemas de abastecimento de água e na produção de petróleo .

As bombas auxiliares também são usadas para bombear grandes volumes de gases, mas já com pressões de 10 ^ -1 - 10 ^ -4 mm Hg. Art. Um gráfico típico da dependência da velocidade de bombeamento na pressão de entrada:



A faixa de pressão operacional dessas bombas é interessante, pois o mecanismo viscoso de “captura” de gás opera na extremidade superior da faixa e o processo de difusão (gás bombeado na corrente de vapor) opera na extremidade inferior da faixa. Nesse sentido, para um melhor bombeamento, a altas pressões, o jato deve ser suficientemente denso e baixo - suficientemente rarefeito. Também é necessário obter alto desempenho em toda a faixa de pressão.

Por esse motivo, o projeto das bombas auxiliares acabou .... bastante incomum. Se você vir algo entre os isoladores de alta tensão (por algum motivo metal), os pepelats e um robô da ficção dos anos 60, então esta é definitivamente uma bomba auxiliar. Não acredita? Veja a série de bombas BN-, NVBM- e especialmente na 2NVBM-. Por exemplo, 2NVBM-630/18000, com uma altura de 2,7 me uma velocidade de ação de 18.600 l / s, ou BN-2000, um pouco mais modesto em tamanho, causam uma impressão indelével.



Livros sobre tecnologia de vácuo mencionam que existem bombas com uma velocidade de ação de até 200.000 l / s. Certamente, neste caso, é possível equipar um apartamento de um quarto com uma oficina e um suprimento de comida por três meses. Embora existam bombas de tamanho mais modesto.

Vamos considerar em mais detalhes o projeto da bomba pelo exemplo de NVBM-2.5 [1, p.16]. Bomba de quatro estágios. Três bocais, que lembram guarda-sóis, são plantados em uma linha de vapor de três velocidades 4. Sob o defletor de óleo 2, existe um bico do primeiro estágio, que garante a velocidade máxima de bombeamento a uma baixa pressão de estol de jato. O principal é capturar o máximo de gás possível. O segundo estágio deve fornecer pressão no primeiro estágio abaixo da pressão do estol, etc. O último estágio do ejetor está instalado, que tem a pressão mais alta para parar o jato e, de fato, define a pressão máxima de saída (cerca de 100 Pa).

Designações na figura: 1 - flange de entrada; 2 - defletor de óleo; 3 - caso; 4 - linha de vapor; 5 - caldeira; 6 - aquecedor interno; 7 - bico ejetor; 8 - confusor ejetor; 9 - flange de saída; 10 - armadilha de disco;

Uma das características distintivas das bombas de reforço é o tamanho maior, em comparação com a difusão, do evaporador ou caldeira (o volume em que a vaporização ocorre) 5, uma vez que a pressão do vapor é necessária em uma ordem de magnitude maior que a das bombas de difusão. E como a operação do estágio de reforço NVBM-2.5 requer pressão ainda maior do que a operação dos estágios restantes, a fonte de alimentação dos estágios individuais é dividida por vapor devido à instalação de diafragmas na linha de vapor.

A pressão residual (geralmente não mencionada na documentação das bombas auxiliares) é determinada principalmente pelo fluxo de retorno do vapor do fluido de trabalho. E é muito maior que o das bombas de difusão. Para bombas de reforço da série 2NVBM, é de 0,8 mg / (h * cm2) e para a série de difusão de NVDM - 4,8 * 10 ^ -2 mg / (h * cm2). Se a presença de hidrocarbonetos na sua câmara de vácuo for crítica, as bombas auxiliares não são sua opção. Mas se você precisar realizar uma instalação na qual haja uma evolução significativa de gás, e ainda precisar fazer muitas e constantes, então essa é sua opção. Fornos de indução a vácuo e de arco, fornos de secagem e, se houver, túneis de vento supersônicos são os principais clientes dessas bombas.

Finalmente chegamos às bombas de difusão que nos interessam. E aqui, ao que parece, pode-se sair com a frase que a bomba de difusão é semelhante a uma bomba de reforço, apenas o seu invólucro pode ter um estágio cilíndrico e ejetor e talvez seja pequeno, pequeno.

E se você olhar para o circuito da bomba [2, p. 39], essa afirmação é bem verdadeira, com exceção de algumas diferenças. Mais sobre isso abaixo, mas primeiro entenderemos, pelo menos aproximadamente, o que está acontecendo dentro da bomba.

Designações na imagem: 1 - aquecedor; 2 - caldeira; 3, 4, 5 - tubulações de vapor; 6 - bico ejetor; 7 - bocal da terceira etapa; 8 - bocal da segunda etapa; 9 - bocal da primeira etapa;

As bombas de difusão são operadas a pressões de 10 ^ -4 mm Hg. Art. e abaixo, quando o regime de fluxo de gás se torna molecular e pode-se dizer que as moléculas de gás quase não colidem umas com as outras e com as paredes da bomba (após o chamado diafragma de difusão - o espaço entre as paredes da bomba e o bico do primeiro estágio passa) e podemos dizer que eles voam como na figura à direita:

Espero uma explicação tão primitiva que eles não me chutem. Assim, as moléculas de gás voam através da entrada da bomba e se movem em direção ao jato de vapor. Algumas das moléculas de gás são refletidas ao encontrar moléculas pesadas de vapor, enquanto as demais podem ser "capturadas" e transportadas pelo jato. Além disso, o mecanismo de “captura” se deve a processos de difusão [1, p.20]. A taxa de difusão é desigual ao longo do comprimento do jato: no bico, onde a diferença na concentração de gás no jato e sobre o jato é maior, é maior; À medida que você se afasta do bico, o jato de vapor é saturado com gás e a taxa de difusão diminui.
Um jato de vapor transporta gás para as paredes da bomba, onde ela se condensa, e o gás, tendo recebido um pulso do jato na direção de bombeamento, flui em uma camada estreita de parede para o tubo de saída. Nesse caso, o estágio ejetor, se houver, pode muito bem ajudá-lo. A propósito, os bicos 7, 8 e 9 são chamados de difusão.

Bem, se houver um processo de difusão, é claro que há um processo de anti-difusão. No entanto, esse processo se torna significativo apenas na região de baixas pressões de saída, onde a velocidade de bombeamento da bomba começa a cair. É verdade que tudo não se limita à anti-difusão, e os gases que são retirados pelo jato de vapor da caldeira da bomba (aqueles que foram dissolvidos com sucesso no fluido de trabalho durante a condensação de vapor) e a evolução do gás nas paredes da bomba começam a desempenhar um papel significativo.

O gráfico da dependência da velocidade de bombeamento na pressão de entrada é retirado da documentação das bombas NVDS. Aqui, a área de velocidade máxima da bomba já é maior e, em seguida, ocorre um declínio acentuado. Naturalmente, o gráfico foi obtido para uma bomba que trabalha com o fluido de trabalho recomendado e uma certa potência do aquecedor. Se você quiser usar outro fluido de trabalho, precisará fazer esse agendamento, escolhendo o modo ideal de operação.

Se você olhar dentro da carcaça da bomba NVDS-100, na parte inferior poderá ver anéis que se parecem com um labirinto infantil com uma bola. Esse design é chamado de evaporador de labirinto.



Por que é necessário? Em muitas bombas de difusão, de acordo com as instruções, é necessário derramar toda a sujeiraé necessário preencher óleos de vácuo especiais (VM-1, VM-5 e outros), que são uma mistura de diferentes frações com diferentes massas molares, pontos de ebulição, etc. Este não é mercúrio ultrapuro. No entanto, para a operação de diferentes estágios da bomba, são necessários fluidos com características diferentes. Para a operação do primeiro estágio, que determina (como na bomba auxiliar) a velocidade da bomba e a pressão residual máxima, é necessário um líquido com baixa pressão de vapor à temperatura ambiente e à temperatura de trabalho na caldeira (para obter um jato de baixa densidade); para o estágio de saída, que determina a pressão máxima de saída, a pressão do vapor à temperatura ambiente não é importante, mas a maior pressão de vapor possível à temperatura operacional é necessária para criar um jato de alta densidade.

E aqui o evaporador de labirinto entra na arena, bem como as propriedades dos próprios óleos, que, quando fluem através do evaporador, são fracionados e frações pesadas com baixa pressão de vapor são alimentadas no primeiro estágio, e frações leves com alta elasticidade são transferidas para o último. Em geral, um cubo de destilação a serviço do progresso tecnológico.

Vantagens

As vantagens das bombas de óleo a vapor são bastante óbvias (em comparação com outros tipos de bombas de alto vácuo):

• Simplicidade de design. Peças mínimas sem peças móveis. Nenhuma mudança de graxa nos rolamentos ou nos próprios rolamentos, como nas bombas turbomoleculares. E sem barulho.
• Simplicidade de operação. Observe o nível do óleo (algumas bombas possuem medidores de nível), a temperatura e o resfriamento, e você ficará feliz. Você pode parafusar o controlador de energia mais simples no tiristor ou no controlador PID no aquecedor e pronto.
• Preço e / ou "entregabilidade". Comprar uma bomba de difusão é muito mais simples e mais barata do que uma turbomolecular. Falo silenciosamente das novas, os preços dos dois tipos de bombas são atraídos, embora a difusão seja várias vezes mais barata.

Desvantagens

Com a tentadora simplicidade das bombas de óleo a vapor (e não há nada de especial para quebrar ali), existem desvantagens decorrentes das vantagens da bomba e das propriedades dos fluidos de trabalho. O mais significativo:

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Durante o processo de limpeza, um jogo bastante decente apareceu nas bombas. O segundo e os estágios subsequentes "montam" no tubo de vapor do primeiro estágio em 1-2 mm. Uma pesquisa na Internet não obteve nenhum resultado, mas os funcionários da fábrica da VAKMA (também conhecida como Vakuummash) vieram em socorro e por isso, muito obrigado a eles! Foi essa planta que fabricou as duas bombas em 1985.

Verificou-se que nas bombas não existem juntas de ajuste que permitem definir as folgas necessárias. Como resultado, a linha de vapor do primeiro estágio simplesmente ficou no fundo e, aparentemente, o óleo não chegou muito bem. Ao mesmo tempo, a bomba foi operada por muitos anos seguidos.

A seguir, serão definidas as folgas corretas, montando a bomba com uma armadilha e uma válvula de vácuo, verificando se há vazamentos e primeiro iniciando. Mas isso será no próximo artigo. Espero que até lá a pesquisa de peças para o meu sistema também avance.

O que ler

1. Zeitlin A.B. Bombas de vácuo a jato de vapor - M .: Engenharia Mecânica, 1980.
2. Operação de equipamento de vácuo / Kuznetsov V. I., Nemilov N. F., Shemyakin V. E.; Abaixo do total. ed. R. A. Nilendera - M.: Energy, 1978.
3. Zakirov F.G., Nikolaev E.A. Otkachnik-aspirador de pó - M .: Higher School, 1977.
4. Rozanov L. N. Tecnologia de vácuo: Livro didático para universidades em especial. "Tecnologia de vácuo". - 2ª ed., Revisado. e adicione - M .: Escola Superior, 1990.
5. Tecnologia de vácuo. Livro de referência / Frolov E.S., Minaichev V.E., Aleksandrova A.T., etc. sob o geral. ed. Frolova E.S., Minaicheva V.E. - M .: Engenharia Mecânica, 1985