Разница между предельным и рабочим вакуумом: на шильдике указано 0.1 mbar, почему в камере только 0.5 mbar

Самое частое заблуждение на совещании по подбору — считать предельный вакуум ответом на вопрос «насколько низко этот насос может откачать камеру». Разница между предельным и рабочим вакуумом, по сути, в том, что одно значение измеряют на входе насоса без нагрузки, а другое — в камере под нагрузкой. Один и тот же V0100 по спецификации имеет 0.1 mbar, но при подключении к камере с трёхметровым трубопроводом, двумя отводами и небольшой утечкой через уплотнительную поверхность давление, которое он сможет удерживать, может составлять 0.4–0.5 mbar; когда включается технологический газ, оно может быть ещё выше. Насос не сломан — расчёт неверен.

1. Условия измерения двух значений различаются

Предельный вакуум (в спецификации также называется предельным давлением): значение, к которому асимптотически приближается давление на входе после того, как насос заправлен маслом по регламенту, газобалласт закрыт, входной патрубок заглушен, а насос проработал до стабилизации температуры масла и давление на входе перестало снижаться. Точка измерения находится прямо на входе насоса; перед ней нет трубопровода, нет камеры, нет газовой нагрузки.

Рабочий вакуум: давление, которое нужно поддерживать в камере. Это давление задаётся технологическим процессом, и за ним стоят четыре источника газа — скорость утечки, газовыделение стенок камеры и изделий, испарение конденсируемых веществ и газ, подаваемый в процессе. Насос отводит суммарный поток от этих четырёх источников: если он справляется, давление остаётся на заданной точке; если не справляется, давление начинает расти.

Два столбца в спецификации — это уже два разных режима работы:

Модель	Номинальная скорость откачки (50Hz)	Предельный вакуум (газобалласт закрыт)	Предельный вакуум (газобалласт открыт)
V0025A	20 m³/h	0.5 mbar	—
V0040A	40 m³/h	0.1 mbar	0.5 mbar
V0063	63 m³/h	0.1 mbar	0.5 mbar
V0100	100 m³/h	0.1 mbar	0.5 mbar
V0155	150 m³/h	0.3 mbar	0.5 mbar
V0160 / V0202	160 / 200 m³/h	0.1 mbar	—
DPL-V300B	280 m³/h (фактически около 240)	≤0.08 mbar	≤0.7 mbar
DPL-V630B	700 m³/h (фактически около 640)	≤0.08 mbar	≤0.7 mbar
2V80 / 2V275	74 / 255 m³/h	4×10⁻⁴ / 5×10⁻⁴ mbar	5×10⁻³ mbar

У одной и той же модели при открытом и закрытом газобалласте значения различаются в пять раз. Этот столбец — не альтернативный параметр, а два разных состояния машины.

2. Сколько скорости откачки остаётся в рабочей точке — именно это и есть пригодное для расчёта значение

До открытия выпускного клапана насоса на стороне выхода сохраняется остаточное давление, и часть газа возвращается обратно, поэтому чистая скорость откачки стремится к нулю по мере приближения входного давления к предельному. В инженерных расчётах обычно используют приближённую формулу:

S_eff = S × (1 − p_u / p)

S — номинальная скорость откачки, p_u — предельное давление, p — рабочее давление. Подставим три выпускаемые модели:

Рабочее давление	V0100 (100, p_u=0.1)	V0155 (150, p_u=0.3)	2V80 (74, p_u=4×10⁻⁴)
10 mbar	99 m³/h	135 m³/h	74 m³/h
1 mbar	90 m³/h	105 m³/h	74 m³/h
0.5 mbar	80 m³/h	60 m³/h	74 m³/h
0.4 mbar	75 m³/h	37.5 m³/h	74 m³/h
0.2 mbar	50 m³/h	не достигается	74 m³/h
0.01 mbar	не достигается	не достигается	71 m³/h

V0155 при 0.4 mbar выдаёт только 37.5 m³/h — четверть номинала. Он «может дойти» до 0.4 mbar, но скорость работы в этой точке уже не та, что указана в таблице подбора. Двухступенчатый 2V80 имеет предельное давление на три порядка ниже и почти не теряет скорость во всём диапазоне среднего вакуума — вот почему при одинаковой скорости откачки двухступенчатый насос стоит дороже; это не конструкция, возникшая из ниоткуда.

Метод оценки прост: если рабочее давление ниже предельного менее чем в 3–5 раз, нужно заново рассчитывать скорость откачки в рабочей точке, и не используйте номинальное значение для расчёта времени такта.

3. При открытом газобалласте столбец предельного вакуума нужно менять

При откачке материалов, содержащих водяной пар или пары растворителей, газобалласт необходимо открывать: в поток подмешивается сухой воздух, парциальное давление конденсируемых компонентов снижается, и они удаляются вместе с газовой смесью, не конденсируясь в масле насоса. Цена этого указана в таблице — у V0040A при закрытом газобалласте 0.1 mbar, при открытом 0.5 mbar.

Цена не ограничивается предельным значением. Если процесс должен работать при 1 mbar и газобалласт нужно держать открытым всю смену:

S_eff = 40 × (1 − 0.5 / 1) = 20 m³/h

остаётся только половина номинала. Если в этом случае считать время откачки по 40 m³/h, рассчитанный такт окажется вдвое короче. Во всех условиях, где газобалласт приходится держать открытым постоянно, при подборе нужно смотреть на столбец «газобалласт открыт» и заново рассчитывать скорость откачки в рабочей точке по этому столбцу.

4. Вторая поправка — на трубопроводе

Между входом насоса и камерой есть трубопровод, клапаны, сильфон и холодная ловушка. Их последовательное соединение описывается так:

1 / S_eff = 1 / S_pump + 1 / C

C — проводимость трубопровода. Например, для V0155:

Проводимость трубопровода C	Эффективная скорость откачки со стороны камеры
300 m³/h	100 m³/h
150 m³/h	75 m³/h
75 m³/h	50 m³/h

На входе насоса измеряется 150 m³/h, а со стороны камеры остаётся 75 — типичный результат. Этот слой потерь не связан с насосом: замена на более крупный насос лишь поднимает значение после потерь; если не менять проходное сечение, поправка останется прежней. Как согласовать диаметр трубопровода и расход, можно напрямую пересчитать в калькуляторе скорости откачки вакуумного насоса; в статье о трубопроводах и клапанах рассказано, как выбирать проходное сечение.

5. Если подставить предельное давление в формулу времени откачки, видно, что «дойти» и «достаточно быстро» — разные вещи

Время откачки камеры (изотермическое приближение с поправкой на предельное давление):

t = (V / S) × ln[(p₀ − p_u) / (p₁ − p_u)]

Пример: камера 1 m³, V0100, откачка с 1013 mbar до 5 mbar. V/S = 1 ÷ (100/3600) = 36 секунд, ln(1012.9 / 4.9) = 5.32, получаем 192 секунды, около 3.2 минуты.

Та же линия продолжает откачку до 0.3 mbar: ln(1012.9 / 0.2) = 8.53, при номинальной скорости откачки получается 307 секунд. Но в точке 0.3 mbar эффективная скорость откачки V0100 составляет только 66.7 m³/h, V/S становится 54 секунды, фактически 460 секунд, около 7.7 минуты. На участке от 5 mbar до 0.3 mbar по расчёту 1.9 минуты, фактически 4.5 минуты — разница целиком определяется падением скорости откачки.

Эта формула также позволяет заранее выявить тупиковый вариант: если рассчитанное равновесное давление, соответствующее скорости утечки и газовыделению системы, составляет 0.15 mbar, а для процесса нужно 0.1 mbar, знаменатель будет отрицательным, и математика прямо показывает, что такое давление никогда не будет достигнуто. В этом случае увеличивать насос бессмысленно — сначала нужно устранить утечки и источники газовыделения. Ценность расчёта времени откачки вакуумного насоса наполовину в расчёте такта, наполовину в понимании того, нужно ли менять насос.

6. Выбирать по рабочему давлению, а не по предельному вакууму

Рабочее давление процесса	Доступные модели	Пояснение
≥50 mbar	V0025A, V0040A, DPL-ZS150	Диапазон грубого вакуума; предельное давление серии ZS — 150 mbar, подходит только для этого диапазона
10 mbar	V0040A, V0063, V0100	Типичный диапазон для вакуумной упаковки, удержания и черновой откачки
1 mbar	V0100, V0160	При необходимости открытого газобалласта пересчитывать по предельному значению с открытым газобалластом
0.5 mbar	V0160, V0202, DPL-V300B	Предельное давление V300B ≤0.08 mbar, запас достаточный
0.1 mbar	DPL-V300B, DPL-V630B	Состояние с закрытым газобалластом; следить за температурой и качеством масла
≤0.01 mbar	2V80 / 2V275, или агрегат LC250 + 2V80	Двухступенчатый насос в качестве базового, насос Рутса — в качестве бустерной ступени

Страница серии V0025A–V0100, V0155, DPL-V300B, 2V80/2V275 содержат полные таблицы скорости откачки и предельного давления. Логика комплектации агрегата с насосом Рутса рассчитывается отдельно: способность форвакуумного насоса в точке противодавления определяет всю кривую; см. Как определить степень сжатия насоса Рутса.

Последний пункт, который легко упустить: у одной и той же модели при 50Hz и 60Hz различаются частота вращения, скорость откачки и мощность двигателя; некоторые модели не подходят для регионов с 60Hz. Перед заказом для экспортного проекта или для зарубежной электросети сначала уточните частоту, а затем решайте, какой столбец данных использовать.

Частые вопросы

В: У насоса с предельным вакуумом 0.1 mbar почему камера откачивается только до 0.5 mbar? О: 0.1 mbar — это предельное значение при заглушенном входе насоса и закрытом газобалласте, когда перед точкой измерения нет трубопровода, ёмкости и газовой нагрузки. После подключения трубопровода, с учётом утечки, газовыделения и технологического газа давление в камере неизбежно будет выше этого значения. Эффективная скорость откачки V0100 в рабочей точке 0.5 mbar составляет около 80 m³/h, то есть сам насос работает нормально.
В: Насколько рабочее давление должно быть ниже предельного вакуума, чтобы это было приемлемо? О: В инженерной практике надёжнее закладывать запас в 3–5 раз. У V0100 предельное давление 0.1 mbar; при рабочем давлении 0.3–0.5 mbar скорость откачки остаётся 67–80 m³/h; если снизить до 0.2 mbar, останется только 50 m³/h, и такт заметно удлинится.
В: Влияет ли открытый газобалласт на скорость откачки и подбор? О: Да. У V0040A предельное давление при закрытом газобалласте 0.1 mbar, при открытом — 0.5 mbar. Если работать при 1 mbar и газобалласт должен быть открыт, эффективная скорость откачки составит только 20 m³/h, то есть половину номинальных 40 m³/h; время откачки нужно пересчитывать по этому значению.
В: Двухступенчатый насос дороже одноступенчатого — для каких условий он оправдан? О: Смотрите, насколько рабочее давление близко к предельному. У 2V80 предельное давление 4×10⁻⁴ mbar; в рабочей точке 0.05 mbar он всё ещё выдаёт около 73 m³/h, почти как номинальные 74 m³/h; одноступенчатый насос при таком давлении уже не работает. Для условий, где нужно поддерживать поток ниже 0.01 mbar, двухступенчатый насос необходим.