Вакуумный насос: конденсируемые, пылевые, коррозионные среды

Тот же маслозаполненный пластинчато-роторный насос при откачке сухого воздуха стабильно держит 0.1 mbar, но при переходе на технологический газ с 0.5 kg/h водяного пара масло за квартал эмульгирует и белеет. Настоящая первая развилка при выборе вакуумного насоса — не величина скорости откачки, а сам газ: конденсируемые компоненты конденсируются в масле, пыль стирает зазор между пластинами и камерой, коррозионные среды сначала повреждают клапанные пластины, а затем камеру насоса. Эти три класса проблем требуют трёх совершенно разных действий — включить газобалласт, добавить предварительный фильтр, сменить тип насоса, — и каждое можно проверить расчётом ещё на этапе выбора.

I. Сначала разделим газы на три класса

Характеристика газа	Что первым выходит из строя в насосе	Действие при выборе
Конденсируемые компоненты (водяной пар, пары растворителей)	Эмульгирование масла, предельный вакуум не достигается, интервал замены масла сокращается с 2000 h до нескольких сотен часов	Включить газобалласт + предварительный конденсатор, проверить по парциальному давлению на стороне выпуска
Пыль, частицы	Износ пластин, нарушение округлости камеры, засорение масляного канала	Фильтрация на входе, пересчитать эффективную скорость откачки по последовательной проводимости
Кислые, галогенсодержащие, растворительные коррозионные среды	Коррозия клапанных пластин и внутренней стенки камеры, отказ уплотнений	Предварительная промывка/конденсация или переход на сухой насос с безмасляной камерой

Сложнее всего комбинированные условия: водяной пар вместе с кислотой, конденсат попадает прямо в масло, коррозия и эмульгирование происходят одновременно.

II. Конденсируемые газы: рассчитать водяной пар на стороне выпуска, затем решить, включать ли газобалласт

Многие считают только давление на входе и полагают, что 8 mbar далеко от давления насыщенного пара воды; на самом деле водяной пар сжимается в камере насоса почти до атмосферного давления и только затем выходит, а конденсация происходит на стороне выпуска.

Достаточно трёх формул:

Объёмный расход водяного пара V_w = (m / M) × R × T / p, где m — массовый расход водяного пара (g/h), M = 18.015 g/mol, R = 8.314 J/(mol·K), T — температура по шкале Кельвина, p — полное давление на входе (Pa).
Парциальное давление водяного пара на входе p_w = p × (V_w / S), где S — скорость откачки насоса в этой точке давления.
Парциальное давление водяного пара на стороне выпуска p_dis = p_w × K, степень сжатия K ≈ p_выпуска / p_входа; при выпуске в атмосферу p_выпуска принимают около 1013 mbar.

Пример расчёта: камера 8 mbar, 40 ℃, технологический процесс выделяет 0.5 kg/h водяного пара, установлен DPL-V0100 (скорость откачки при 50 Hz 100 m³/h, 3.0 kW, предельный вакуум без газобалласта 0.1 mbar, с газобалластом 0.5 mbar).

Молярный расход: 500 g/h ÷ 18.015 g/mol = 27.75 mol/h
Объёмный расход при 40 ℃ и 8 mbar: 27.75 × 8.314 × 313.15 ÷ 800 = 90.3 m³/h
Доля от скорости откачки насоса: 90.3 ÷ 100 = 90%, то есть из 8 mbar на входе 7.2 mbar приходится на водяной пар
Степень сжатия: 1013 ÷ 8 ≈ 127, парциальное давление водяного пара на стороне выпуска ≈ 7.2 × 127 ≈ 915 mbar
При температуре насоса 70 ℃ давление насыщенного пара воды составляет около 312 mbar (расчёт по уравнению Antoine, согласуется с данными IAPWS о свойствах воды), 915 mbar значительно выше него

Вывод очевиден: без газобалласта этот водяной пар неизбежно конденсируется в масле. Если рассчитать допустимое значение в обратном порядке, без газобалласта парциальное давление водяного пара на входе не должно превышать 312 ÷ 127 ≈ 2.5 mbar, то есть при общем давлении 8 mbar на водяной пар приходится максимум три десятых; этот насос в таких условиях неприменим.

После включения газобалласта степень сжатия снижается примерно до 10 (в статье Когда открывать газобалластный клапан рассчитан принцип), допустимое парциальное давление водяного пара на входе возрастает до 312 ÷ 10 ≈ 31 mbar, для 7.2 mbar остаётся четырёхкратный запас. Плата за это — снижение предельного вакуума с 0.1 mbar до 0.5 mbar. Поэтому когда процесс требует значения ниже 0.5 mbar, нельзя полагаться на длительную работу с газобалластом; нужно установить конденсатор на стороне входа, чтобы сначала улавливать водяной пар, — параметры см. в разделе Одноступенчатые маслозаполненные пластинчато-роторные насосы V0025A–V0100.

III. Пылевые условия: перепад давления на фильтроэлементе нужно пересчитать в эффективную скорость откачки по последовательной проводимости

Номинальная скорость откачки — это значение на входе насоса; пылевой фильтр устанавливается перед насосом, и его перепад давления складывается по последова

Смотрите также

Вопросы и ответы

Можно ли держать клапан газового балласта постоянно открытым?

Это приведёт к ухудшению предельного вакуума. У DPL-V0100 при закрытом клапане газового балласта 0.1 mbar, при открытом — 0.5 mbar; если технологический процесс требует давления ниже 0.5 mbar, следует установить конденсатор на стороне впуска, а не держать газовый балласт открытым длительное время.

Когда необходимо устанавливать предварительный фильтр?

Расчёт ведут по перепаду давления. У DPL-V0063 при 100 mbar перепад давления на фильтроэлементе увеличивается с 8 mbar до 30 mbar, эффективная скорость откачки снижается с 58.3 m³/h до 48.5 m³/h, время однократной откачки камеры объёмом 2 m³ увеличивается на 72 s.

Достаточно ли насоса производительностью 100 m³/h для камеры с водяным паром 0.5 kg/h при 8 mbar?

Недостаточно. При 40 ℃ и 8 mbar расход 0.5 kg/h водяного пара соответствует 90 m³/h, что почти равно полной скорости откачки; необходимо открыть газовый балласт или установить конденсатор на стороне впуска.

Можно ли напрямую подавать коррозионно-активные газы в маслозаполненный пластинчато-роторный насос?

Не рекомендуется. Масло будет загрязняться кислым конденсатом, а клапанные пластины — корродировать; на стадии грубого вакуума можно перейти на DPL-ZS150 с безмасляной камерой (предельное давление 60 mbar) или DPL-ZS300 (предельное давление 150 mbar).