Próżnia w fizyce i chemii

Transkrypt

1 Próżnia w fizyce i chemii

2 Próżnia w technice

3 Wytwarzanie próżni pompy Potencjalnie bardzo szeroki przedział ciśnień Wykorzystanie wielu różnych zjawisk fizycznych wiele rodzajów pomp Różne sposoby klasyfikacji pomp Łączenie różnych rodzajów pomp, wielostopniowość

4

5 Wytwarzanie próżni pompy Podział pomp: mechaniczne strumieniowe sorpcyjne, kondensacyjne

6 Pompy objętościowe olejowe (pompy rotacyjne łopatkowe i tłokowe) Pompy objętościowe z pierścieniem wodnym Pompy membranowe Pompy objętościowe Rootsa (Roota) Pompy prędkościowe molekularne i turbomolekularne Pompy objętościowe pompowanie gazu odbywa się przez powtarzanie cyklu: otwieranie objętości, kompresja pobranej porcji gazu, wydech

7 Pompa rotacyjna łopatkowa

8 Pompa rotacyjna łopatkowa 4 fazy: zasysania, przetaczania, kompresji, wydechu, 1 obrót 2 cykle

9 Pompa rotacyjna suwakowa

10 Pompa rotacyjna suwakowa Cykl trwa 2 obroty 2 cykle jednocześnie Gaz może być wprowadzany przez suwak (tłok) Stopień kompresji nieco lepszy niż w pompach łopatkowych nieco niższe ciśnienie końcowe (za to mniejsza szybkość pompowania przy wysokich ciśnieniach) Wymagają bardziej starannego wykonania Siły odśrodkowe prędkości obrotowe nie mogą być duże, odpowiednie smarowanie

11 Pompa rotacyjna suwakowa, jedno- i dwustopniowa

12 Ciśnienie końcowe zależy od stopnia kompresji stosunku ciśnienia otwierającego wylot do ciśnienia na wlocie (ok. 105) Między wirnikiem i statorem nie ma idealnej izolacji przepływ wsteczny, zależny od różnicy ciśnień Podobnie styk łopatki stator Objętość martwa gaz (z olejem) wraca do komory zasysania Gaz rozpuszczony w oleju wraca do komory zasysania Otwór wlotowy ma skończoną przewodność, ciśnienie w komorze wlotowej niższe niż w pompowanym zbiorniku (tym bardziej, im szybsze obroty i im niższe ciśnienie) Teoretyczna a rzeczywista szybkość pompowania Od pewnego ciśnienia (w pompowanym zbiorniku) mimo kompresji nie nastąpi otwarcie zaworu wylotowego i oddanie gazu

13 Przykładowa zależność rzeczywistej szybkości pompowania od ciśnienia

14 Pompy mechaniczne olejowe kondensacja pary wodnej: Para wodna składnik atmosfery Para wodna w wyniku procesów w pompowanym zbiorniku Sprężanie para nasycona, kondensacja skraplanie, obniżenie stopnia kompresji Pogarszanie właściwości oleju (smarowanie, uszczelnianie) Zmniejszenie szybkości pompowania Związki chemiczne o konsystencji stałej ryzyko uszkodzenia pompy Korozja Pary innych substancji podobne problemy

15 Stopień kompresji pompy: p0 p0 K= = pc p g + p p p0 ciśnienie, przy którym otwiera się zawór wylotowy pc ciśnienie na wlocie, suma ciśnień parcjalnych gazów nie ulegających kondensacji pg oraz par pp Kondensacja zajdzie, gdy: p pn K> pp ppn ciśnienie pary nasyconej w temperaturze pracy pompy

16 Zależność ciśnienia (prężności) pary nasyconej od temperatury

17 Ciśnienie (prężność) pary nasyconej przy 60 C: 20 kpa Jakie jest dopuszczalne ciśnienie parcjalne pary na wlocie, jeśli zawór wylotowy otwiera się przy 120 kpa a ciśnienie gazów niekondensujących wynosi na wlocie 1,5 kpa? p0 = 120 kpa, pg = 1,5 kpa, ppn = 20 kpa p0 p pn < p g +p p p p p pn pg pp< =0,3 kpa p0 p pn

18 Zapobieganie kondensacji pary: przedmuch suchym powietrzem, zmniejszenie stężenia pary (duży przepływ wsteczny, końcowe ciśnienie zbiornika może być o 2 rzędy gorsze, przedmuch stosowany tylko do pewnego etapu) Podniesienie temperatury pracy do takiej, przy której nie zachodzi kondensacja (specjalne oleje) Systemy oczyszczania oleju z kondensatu Pułapki sorpcyjne na wlocie pompy, wymrażarki, obniżenie temperatury, odpowiednie materiały, adsorpcja par Pary innych substancji niż woda: alkohole, aceton, w wyższych temperaturach pary metali

19 Zapobieganie kondensacji pary: przedmuch suchym powietrzem

20 Stopień kompresji pompy z przedmuchem suchym powietrzem: p0 K= pg + p p + p b pb ciśnienie parcjalne doprowadzanego gazu Sb pb= p gd S pgd ciśnienie gazu doprowadzanego na zewnątrz komory, np. 100 kpa Sb szybkość przepływu gazu do komory S szybkość pompowania pompy Sb / S stopień przedmuchu, do 10 %

21 Ciśnienie pary nasyconej przy 60 C: 20 kpa Jakie jest dopuszczalne ciśnienie parcjalne pary na wlocie, jeśli zawór wylotowy otwiera się przy 120 kpa, ciśnienie gazów niekondensujących wynosi na wlocie 1,5 kpa przy stosowaniu 10 % przedmuchu suchym powietrzem pod ciśnieniem normalnym? p0 = 120 kpa, pg = 1,5 kpa, ppn = 20 kpa, pgd = 100 kpa, Sb / S = 0,1 p0 p pn < Sb p p p g +p p + p gd S p pn pg S b p gd pp< (1+ )=2,3 kpa p0 p pn Sp g

22 Stopień kompresji pompy z przedmuchem powietrzem zawierającym parę: p0 K= pg + p p + p b pb ciśnienie parcjalne doprowadzanego gazu Sb Sb pb= p gd =(p ga +p pa) S S pga ciśnienie parcjalne doprowadzanego gazu niekondensującego ppa ciśnienie parcjalne doprowadzonej pary

23 Ciśnienie pary nasyconej przy 60 C: 20 kpa Jakie jest dopuszczalne ciśnienie parcjalne pary na wlocie, jeśli zawór wylotowy otwiera się przy 120 kpa, ciśnienie gazów niekondensujących wynosi na wlocie 1,5 kpa przy stosowaniu 10 % przedmuchu powietrzem atmosferycznym o temperaturze 20 C i wilgotności względnej 80 % p0 = 120 kpa, pg = 1,5 kpa, ppn = 20 kpa, ppa = 0,8 * 2,33 kpa = 1,86 kpa, pga = 98,14 kpa, Sb / S = 0,1 p0 p pn < Sb Sb Sb p g +p p + p ga +p pa p p+ p pa S S S p pn pg S b p ga Sb pp< (1+ ) p pa =2,08 kpa p0 p pn Sp g S Ciśnienie pary nasyconej przy 20 C: 2,33 kpa Przedmuch powietrzem atmosferycznym i tak jest opłacalny

24 Wpływ przedmuchu na szybkość pompowania

25 Układy wielostopniowe Łączenie równoległe: wzrost szybkości pompowania Łączenie szeregowe: zmniejszenie ciśnienia końcowego Najczęściej: układ dwustopniowy z łączeniem szeregowym, kompresja rzędu 107, końcowe ciśnienia rzędu kilku setnych paskala Kompresja na pierwszym stopniu faza zasysania na drugim (drugi stopień znacznie większa kompresja, 102 i 105) Jeden silnik

26

27 Eksploatacja pomp, niektóre zagadnienia: Zawór zapowietrzający między pompą i odpowietrzanym układem (zakończenie pompowania, spadek napięcia, automatyzacja) Duże pompy uruchamianie przy otwartym zaworze zapowietrzającym (rozprowadzenie oleju, ogrzanie) Odpowiednie chłodzenie, zaprzestanie chłodzenia po zakończeniu pracy (unikanie kondensacji pary, zabrudzenia oleju; automatyka wyłączająca pompę przy zaniku ciśnienia cieczy chłodzącej) Zapobieganie przenoszeniu drgań mechanicznych pompy na układ (połączenia elastyczne) Filtr siatkowy na wlocie pompy Wprowadzanie oleju (ilość zależna od ciśnienia); opary oleju Pompy łopatkowe i suwakowe często do wytwarzania próżni wstępnej

28 Pompy z pierścieniem wodnym

29 Pompy z pierścieniem wodnym: Brak oleju, woda czynnik uszczelniający i chłodzący Duże szybkości obrotowe Dobra szybkość pompowania przy małych rozmiarach Ciśnienie końcowe ograniczone ciśnieniem pary nasyconej w temperaturze pracy pompy, ok. 4 kpa Zastosowanie, gdy do odpompowania jest duża ilość par, a nie jest wymagane niskie ciśnienie końcowe Zawór odcinająco-zabezpieczający, by uniknąć przedostania się wody do układu opróżnianego Wykorzystanie między innymi wentylacja turbin parowych w elektrowniach

30 Pompy membranowe

31 Pompy membranowe Objętość robocza całkowicie oddzielona od objętości napędowej Ekonomia i ekologia brak zużycia wody Brak pary i oleju! - brak zanieczyszczeń w obszarze pompowanym, zaleta w kontekście zastosowań w chemii, przy spektrometrii masowej i przy poszukiwaniu wycieków (brak rozpuszczonego helu) Odpowiedni dobór materiałów membrany i listków (teflon, elastomer), możliwość pracy z gazami aktywnymi chemicznie Duża objętość martwa, niewielki stopień kompresji, ciśnienie końcowe 80 mbar (układ jednostopniowy) Niewielkie prędkości obrotowe (wytrzymałość materiałów), niewielkie szybkości pompowania Układy wielostopniowe (do 4 stopni), ciśnienie końcowe 0,5 mbar Do próżni wstępnej dla pomp turbomolekularnych

32 Pompy membranowe dwustopniowe fazy cyklu (do ok. 10 mbar)

33 Pompa Rootsa Objętościowa pompa rotacyjna Pompa bezsmarowa 2 symetryczne wirniki w kształcie ósemki Wirniki rotują w przeciwnych kierunkach z tą samą prędkością Odległości wirników od statora i od siebie dziesiąte części mm Brak oleju, duży przepływ wsteczny kompresja (tylko) rzędu

34 Pompa Rootsa

35 Pompa Rootsa Cykl: 4 fazy, niezależnie dla każdego wirnika Kolejne fazy pracy wirników przesunięte o 90 1 pełen obrót każdego wirnika odpompowanie (pomijając przepływ wsteczny) 4 objętości komory między wirnikiem a statorem Przy wyższych ciśnieniach przepływ wsteczny jest bardzo silny potrzebne jest wstępne obniżenie ciśnienia zwykłą pompą olejową (przewodność szczelin tym mniejsza im bliżej warunków molekularnych) Duże szybkości pompowania (w zespole z pompą próżni wstępnej)

36 Pompa Rootsa niska szybkość pompowania przy wysokim ciśnieniu

37 Szybkości pompowania konkretnych układów pompa Rootsa pompa próżni wstępnej (E250 jednostopniowa pompa suwakowa)

38 Pompa molekularna Nie jest to pompa objętościowa jest to pompa prędkościowa Zasada działania nadawanie molekułom gazu składowej pędu w kierunku wylotu poprzez zderzania z rotorem, Gaede, 1912

39 Pompa molekularna ciśnienie końcowe Warunki lepkie różnica ciśnień na wylocie i wlocie zależy od szybkości obrotowej wirnika, lepkości gazu, odległości wlot wylot i odległości wirnik stator, intensywny przepływ wsteczny, niezadowalające warunki pracy Warunki molekularne wymagana jest próżnia wstępna; ciśnienie końcowe zależy od temperatury, masy molowej, szybkości obrotowej, szerokości szpary na przegrodzie, geometrii kanału pompującego; wpływ par olejów, desorpcja

40 Pompa molekularna Siegbahna Stator 2 dociśnięte tarcze W statorze dysk (0,5 m średnicy) Na tarczach statora po 3 spiralne kanały, szerokość 22 mm, głębokość od 22 mm w części zewnętrznej do 1 mm w pobliżu osi. Razem 6 niezależnych kanałów pompujących. Każda para kanałów połączona z wlotem poprzez kolektor, kolektory rozmieszczone co 120 wzdłuż obwodu statora Gaz płynie kanałami od strony obwodu pompy do obszaru przyosiowego, odpompowanego przez pompę próżni wstępnej 8300 obr/min, szybkość pompowania 80 l/s, ciśnienie na wylocie ok. 100 Pa, na wlocie ok Pa, wpływ oparów smarów z łożyska.

41 Pompa molekularna Siegbahna

42 Pompa molekularna Wiele rozwiązań konstrukcyjnych Duże prędkości obrotowe, do kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę (przy magnetycznym zawieszeniu wirnika) Kompresja Próżnia wstępna od 102 Pa do 10-3 Pa (czyli dość spore wymagania) Ciśnienia końcowe (w zależności od modelu i próżni wstępnej) Pa (dane historyczne, dokładność próżniomierzy?) Niewielkie szybkości pompowania główna wada Ważny etap na drodze do skonstruowania pomp turbomolekularnych (spiralny kompresor Siegbahna w niektórych pompach turbomolekularnych), przez które zostały wyparte, dziś znaczenie historyczne

43 Pompa turbomolekularna Pompy molekularne szybko wirujący rotor nadaje molekułom pęd w pożądanym kierunku Lata 50 te XX wieku, wykorzystanie idei turbiny Prędkość średnia arytmetyczna: 8 kt 8 RT va = = π m0 πm Aby molekuła poczuła uderzenie, prędkość wirnika musi być porównywalna z prędkością molekuły.

44 Prędkości średnie arytmetyczne, 20 C (Uwaga na jednostki masy molowej) Który gaz jest najtrudniejszy do usunięcia?

45 Schemat pompy turbomolekularnej w układzie poziomym

46 Schemat pompy turbomolekularnej w układzie pionowym, Turbovac 151

47 wirnik pompy turbomolekularnej tx_contagged[source]=default&tx_contagged[uid]=45 63&tx_contagged[backPid]=3&cHash=c33fbd9edc51 25babd839053f3f09faa

48 Pompy turbomolekularne Łopatki wirnika pod kątem do płaszczyzny tarczy Łopatki rotora również pod kątem (tak dobranym, aby molekuły były pod odpowiednim kątem uderzane przez następne łopatki) Kąty i wielkości łopatek w kolejnych tarczach zmieniają się optymalizacja szybkości pompowania i stopnia kompresji Smarowanie olej, smar, lub zawieszenie magnetyczne Obroty tys/min (mniejsze pompy szybciej, dalsze przyspieszanie niewiele zmienia parametry) Stopień kompresji i szybkość pompowania różne dla różnych gazów (masa molowa)

49 Szybkości pompowania niektórych pomp w funkcji ciśnienia na wlocie Największe wartości poniżej ok bara, przepływ molekularny

50 Szybkości pompowania niektórych pomp w funkcji ciśnienia na wlocie Wodór pompuje się najwolniej

51 Kompresja ciśnienie parcjalne gazu na wylocie i wlocie (k0, I = 0)

52 Pompy turbomolekularne Ciśnienia końcowe Pa (w zależności od próżni wstępnej i gazu na wlocie) Najniższe ciśnienia z wygrzewaniem zbiornika, ok 90% ciśnienia ciśnienie parcjalne wodoru (m. in. wydzielany ze ścianek) Potrzebne jest uzyskanie warunków molekularnych (muszą dominować zderzenia z łopatkami, a nie pomiędzy molekułami), choć niekiedy pracę można zaczynać od ciśnienia atmosferycznego; próżnia wstępna pompy rotacyjne (zazwyczaj producent od razu sugeruje rodzaj pompy próżni wstępnej) Uzyskiwanie próżni bardzo czystej, opary oleju nie przedostają się do obszaru pompowanego (wysoka kompresja ciężkich molekuł)