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蒸汽喷射真空泵的工作原理

作者:蔡东俊 人气:34505 日期:2021-10-16 00:54:40

 

蒸汽喷射真空泵的工作原理

喷射泵工作原理:

  蒸汽喷射泵有一定压强的工作,蒸汽通过拉瓦尔喷咀,减压增速(蒸汽的势能转变为动能)以超音速喷入混合室,与被抽介质混合,进行能量交换,混合后的气体入扩压器,减速增压(动通转化为压强能),为了减少后级泵的抽气负荷,配置冷凝器,通过有一定温差的两种介质对流,进行热交换,达到冷凝高温介质目的,排到大气压。(原理见下图)

蒸汽喷射泵工作原理图

机组工作原理:

  1.本泵之第一级水蒸汽喷射泵连接到生产设备抽及其气体、蒸汽或气体并在泵内压缩到10mmhg左右。

  2.本泵之第二级水蒸汽喷射泵继续压缩上述工作介质到70mmhg然后排之气体引往列管冷凝器冷凝。冷凝后的液体进入下部第三级水环泵抽吸,压缩后往大气中。

结构原理图

故障检查参政表

故障\原因

转速过低

吸入管路泄露

工作液温度过高

工作液体过多

工作液体不足

机械密封过紧

联轴器不正

排汽量减少

 

 

 

噪音过大

 

 

 

 

 

轴功率增大

 

 

 

 

过热

 

 

 

振动过大

 

 

 

 

操作:

(1)起动顺序

  1、把所有堆截止阀和闸阀关闭。

  2、蒸汽管道彻底排污,排水,一直放出废气,供应饱和蒸汽,排污阀稍微打开一些。

  3、开启水环泵把供应泵用水阀打开,开启真空总管中截止阀,达到大约93、9毫巴。 

  4、起动二级蒸汽喷射泵,喷嘴前输入蒸汽压力最低不能低于3、5巴,最高不能高于5巴。

  5、起动一级蒸汽喷射泵,喷嘴前蒸汽压力不能低于3、5巴。

  6、所有喷射泵开启后,调节好冷凝器的进水阀,使它排出水温度不超过36℃。

(2)停机顺序

  1、关闭真空总阀。

  2、关闭第一级喷射泵汽阀。

  3、关闭第二级喷射泵汽阀及蒸汽总阀。

  4、放气停水环泵,关闭所有供水阀。

安装:

  1、蒸汽喷射真空泵可以在室外露天安装。如果停工或在结冰气候时,整个装置能快速排水,因为已经装了内连管以备快速排水。

  2、水环泵一定要有足够的静压,泵的填料箱一定有水封。在泵的排水管中装一个止回阀,以防止间歇或脉冲的空气回流。为了有效平衡冷凝器之间的压力差,管道封闭回路,一定要有合适的回路长道,最好在每一条回路管的最低位装一条放水管道,同时也可作为清洗冷凝器时出水口。

  3、安装蒸汽管道时,必须注意尽量要使送到喷嘴的蒸汽尽可能干燥,从蒸汽分离器到喷射泵之间带保温。蒸汽管道越短越好,分离器应该长期保持干燥,为此接到喷射泵的蒸汽管一定要从蒸汽主管道上端接出温蒸汽不但腐蚀喷嘴和过早扩散,而且严重影响小喷嘴口的功能。

  由于要求高真空度,以及尤其泵内小喷嘴口径,所以一定要检查装在蒸汽过滤器与喷射泵内蒸汽喷嘴之间的气管是否干净。蒸汽喷射泵装上所谓进汽小气箱,可以很方便把喷嘴拆下来,用一支探针直觉检查喷嘴通路。蒸汽垫圈不要偏心放置,以免影响蒸汽自由流动截面积。

维护:

  1 、应定期压紧填料,如填料因磨损而不能保证所需的密封时应换新填料,填料不能压得过紧,正常压紧的填料允许水成滴漏出,但量不得

太多,应用油浸石棉绳做填料。

  2 、但实测的温度不应大于70℃,轴承室内整个空间的2/3用黄油装满,正常工作的轴承每年应装油3-4次,每年至少清洗轴承一次,并将润滑油全部更换。

 

分子泵(TMP)
  构造:电机驱动的高速旋转叶片,泵壁上固定的固定叶片。
  原理:每分钟旋转数万次的高速旋转叶片撞击气体分子,被撞击的气体分子碰撞到固定叶片后又被弹到下一个旋转叶片上,最终被送到排气口。旋转叶片和固定叶片的方向相反,使分子难于逆行。这种排气方式,排气速度不因气体种类而变。
  特征:
  不用油,工作环境清洁,可到达10-10Pa的真空度。排气速度不受气体种类影响。构造复杂,价格昂贵,高速旋转,要注意安装要求。有振动。需要和其它初段排气泵组合。
离子泵
  构造:强磁铁,蜂窝状阳极,钛(Ti)阴极。
  原理:通过溅射现象,使Ti离子化,Ti离子化学反应活性高。和气体分子反应之后生成化合物。
  一部分气体分子也离子化之后向阴极加速,使阴极的Ti被溅射后,一部分离子进入阴极内部。
  特征:
  能达到超高真空(10-10Pa)
  需要和其它初段排气泵组合。
  有一定寿命。

Ti升华泵
  构造:加热电阻丝、Ti材料(线或球)。
  原理:通过加热电阻丝,使Ti升华。因为Ti化学反应活性高、立刻和周围的气体分子反应而生成稳定的化合物。反应生成的化合物吸附在真空腔内壁上、从而达到降低气压的效果。如果升华后的Ti吸附在较大面积的内壁上、则产生巨大的排气速度。比如1平方米的面积上吸附Ti原子的话、对氮气而言、可达到24000升/s的排气速度。在压力较高时(>10-3Pa)、排气速度大大降低。因此需要和其他排气泵组合使用。
  特征:
  排气速度大。
  没有运动部分,没有振动。
  需要和其它初段排气泵组合。
  有一定寿命。

低温泵
低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵,又称冷凝泵。低温泵可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空,广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产,以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。
构造:冷冻机、液态He。
抽气原理
在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。它使气体凝结,并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力,从而达到抽气作用。低温抽气的主要作用是低温冷凝、低温吸附和低温捕集。

①低温冷凝:气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上,其平衡压力基本上等于冷凝物的蒸气压。抽空气时,冷板温度必须低于 25K;抽氢时,冷板温度更低。低温冷凝抽气冷凝层厚度可达10毫米左右。

②低温吸附:气体分子以一个单分子层厚 (10-8厘米数量级)被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上。吸附的平衡压力比相同温度下的蒸气压力低得多。如在 20K时氢的蒸气压力等于大气压力,用 20K的活性炭吸氢时吸附平衡压力则低于10-8帕。这样就可能在较高温度下通过低温吸附来进行抽气。

③低温捕集:在抽气温度下不能冷凝的气体分子,被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。
一般说来,泵的极限压力就是冷板温度下的被冷凝气体的蒸气压力。温度为120K时,水的蒸气压已低于10-8帕。温度为20K时,除氦、氖和氢外,其他气体的蒸气压也低于10-8 帕。但由于被抽容器和低温冷板的温度不同,泵的极限压力高于冷凝物的蒸气压。对于室温下的容器,低温板为20K时,泵的极限压力约为冷凝物蒸气压力的4倍。
类型
低温泵分为注入式液氦低温泵和闭路循环气氦制冷机低温泵两种。
注入式液氦低温泵
主要由液氦容器、泵体和连接挡板的液氮腔体等部分组成。为了减少液氦消耗,液氦容器的外壁采用双层保温壁并在其间抽成真空。当泵被预抽到   帕压力时灌入液氮和液氦,气体凝结在4.2K的工作冷板上。经预抽使氦氢分压到10-6帕数量级,故泵可获得10-12帕以下的极限压力。如果把液氦容器抽真空减压到6650帕,液氦温度可降到2.3K,则可得到更低的极限压力。
闭路循环气氦制冷机低温泵
它是70年代出现的新型低温泵。这种泵不消耗氦气、操作简便,易于维修,应用日渐广泛。制冷机的制冷介质为气氦,一级冷板温度为50~100K,典型应用是65K,用来冷凝水蒸汽和预冷其他气体;二级冷板温度为10~20K,用来冷凝氮、氧和氩等气体。在二级冷板的内表面涂以活性炭。活性炭在低温下对氦、氖和氢有很强的吸附能力。冷板由无氧铜制成,表面抛光达到镜面程度,以减小辐射系数。泵的极限压力为10-7帕,工作压力范围为 10-8帕,要求预抽压力为1帕。制成的产品抽气速率已达60000升/秒。此外,尚可根据工艺的特点把抽气冷板安排在被抽容器内,其抽气速率可达到106升/秒以上。
热负载
低温泵的热负载主要是气体的凝结热和周围壁面对工作冷板的辐射热。凝结热与气体种类有关,对于 80K、133.322帕·升的氮气冷凝在20K冷板上的凝结热为0.3~0.6焦耳。工作冷板接受的辐射热与周围壁面板温度和工作冷板温度两者的4次方之差成正比。因此,4.2K和20K工作冷板均用50~100K的冷板来屏蔽,以减少工作冷板所接受的辐射热。
结构特点
立式结构:适于埋装在地下,不会受电动机热风、空气温度和日照等影响,易于保冷;能降低泵的吸上高度,增加灌注头,提高有效汽蚀余量;立式结构还有利于排气,使悬挂轴有足够高度便于布置轴封装置,故该泵也称为立式筒型泵。
对称结构:泵的总体结构力求对称布置,以便在冷态下能均匀变形。冷头一般采用二级机构,第一级达到80K,第二级达到温度10K。
双层壳体:为了保冷方便和有利于输送危险介质,通常都制成双层壳体,内壳里面承受泵压,内外壳之间是吸入压力,这样可适当降低内壳的强度要求。外壳需做成真空夹层,已达到隔热效果。
优势
(1)低温泵在获取洁净和无油真空方面,具有其他产品无法相比的优势。它可以作为研究其他真空泵对真空污染程度的标准;
(2)低温泵在抽除水蒸汽和其他潮湿混合气方面具有较大抽速;
(3)低温泵在抽取轻重量分子方面也具有较大抽速;
(4)在要求大抽速的真空设备中,低温泵是最经济的。商品化的低温泵可以在很小的口径下提供大的抽速
(5)低温泵是基于低温吸附而工作的,不需要其他电子材料,不会有波动;
(6)在真空中无任何运动部件,高稳定性,也不会带来密封问题;
(7)低温泵的安装无任何方向要求;
(8)低温泵还可以进行选择性的抽取某种气体。
吸附材料
吸附材料对低温泵的工作性能具有较大的影响。单从真空获得方面来说,一台无任何吸附剂的低温泵或许也可以满足要求。但是,一般情况下低温泵是依靠液氦或制冷机而获得低温的,其最低温度能达到4 K。而此时又需要低温泵抽除氦气,因为真空检漏会经常用到氦气。因此,低温泵需要通过吸附材料来帮助其抽除气体。另外,吸附材料在低温下比无吸附材料的泠凝吸附可以得到更低的平衡压力。低温泵的工作方式是通过表面吸附而进行的,表面积越大对低温泵的工作性能越有利。因此,合适的吸附材料必须具有较大的比表面和吸附容量。对吸附材料进行表征的物理量主要有:几何形状和颗粒大小分布;表面结构;密度;比表面积;孔径分布、孔容和平均孔径大小等。研究低温泵的吸附材料主要是通过以上参数的表征而进行的

特征:
能达到超高真空(10-11Pa)
排气速度快。
安装方向不受限制。
选择排气泵的方法
1、需要到达的真空度
2、需要的排气时间
3、是否需要导入气体
4、排气种类
5、配管长度,气体通过率的考虑

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