Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe

Transkrypt

1 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Pompy dyfuzyjne Pompy olejowe eżektorowe (boostery) Pompy strumieniowe wodne Pompy strumieniowe parowe (ejektory) Pompy prędkościowe pompowanie gazu odbywa się w wyniku porywania molekuł gazu przez płynącą ciecz lub parę, albo poprzez dyfuzję molekuł w strumień pary

2 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Wielostopniowa (zazwyczaj 3 4 stopnie) pompa dyfuzyjna, olejowa

3 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Pompa dyfuzyjna Z dysz wylatuje odpowiednio uformowany strumień par oleju Para porusza się z dużą prędkością, jej koncentracja jest niewielka Koncentracja gazu w strumieniu pary bardzo mała, gradient koncentracji jest przyczyną dyfuzji gazu z obszaru pompowanego do strumienia par Dyfundujący gaz jest porywany i porusza się wraz z parą do obudowy Skroplenie par oleju na chłodzonej obudowie Wstępne wygrzanie oleju (w celu odgazowania) i powrót do zbiornika Gaz przedostaje się do wylotu próżni wstępnej

4 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Pompa dyfuzyjna wielostopniowa z frakcjonowaniem Najkorzystniejsza konfiguracja od strony wysokiej próżni z dyszy wydostaje się strumień par o małej gęstości (a ciśnienie par czynnika pompującego powinno być w temperaturze pokojowej jak najniższe); niskie ciśnienie końcowe i dobra szybkość pompowania Od strony próżni wstępnej liczy się jak największa gęstość strumienia (mniej ważne ciśnienie par w temperaturze pokojowej); ta gęstość strumienia decyduje o tym, jak duże może być maksymalne ciśnienie próżni wstępnej Olej mieszanina składników o różnych ciśnieniach par, olej musi być odporny chemicznie, nietoksyczny (niektóre metale, np. miedź działają katalitycznie na rozkład niektórych składników oleju)

5 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Pompa dyfuzyjna wielostopniowa z frakcjonowaniem grzałka i kanały najlżejsze frakcje stopień 3, najcięższe stopień 1

6 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Pompy dyfuzyjne Ciśnienia końcowe Pa, ograniczone między innymi ciśnieniem par czynnika pompującego; przepływ wsteczny, wymrażarki, odrzutniki par między zbiornikiem a pompą Kompresja do 107 Szybkość pompowania pozostaje stała dla ciśnień od ok.10-1 Pa w dół Próżnia wstępna ok 100 Pa, pompy mechaniczne, odpowiednia szybkość pompowania, aby możliwe było odbieranie pompowanego gazu

7 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Pompy dyfuzyjne strumień wsteczny cofające się pary oleju - kilka g na minutę i na cm2 przekroju wlotu Duży wpływ na końcowe ciśnienie Obecność par oleju problem dokładności pomiaru ciśnienia Odpowiedni kształt dyszy Efektywne chłodzenie ścian pompy, maksymalizacja kondensacji Dodatkowe podgrzewanie strumienia par w dyszy przy jednoczesnym stosowaniu chłodzonej osłony nad dyszą Dodatkowe odrzutniki między pompą i zbiornikiem (kształty tak dobrane, aby było duże prawdopodobieństwo uderzenia cząsteczki pary w ściankę; kondensacja); wychwytywanie pełzającego oleju Wymrażarki (ciekły azot) Znaczne obniżenie szybkości pompowania (np. o 80%), ale i obniżenie ciśnienia końcowego (np. o rząd wielkości)

8 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Niektóre charakterystyki wybranej pompy dyfuzyjnej

9 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Niektóre charakterystyki wybranej pompy dyfuzyjnej

10 Wytwarzanie próżni p. strumieniowe Schemat stanowiska z pompą dyfuzyjną z elementami wychwytującymi pary oleju (i sam olej)

11 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Niektóre charakterystyki wybranej pompy dyfuzyjnej

12 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Olejowa pompa eżektorowa

13 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Olejowa pompa eżektorowa Pary oleju wprowadzane pod dużym ciśnieniem p1 (większym niż w pompach dyfuzyjnych) do dyszy W dyszy pary są rozprężane do ciśnienia p2, nabierają dużej prędkości Przelatują przez obszar połączony ze zbiornikiem, porywają molekuły gazu, które w niewielkim zakresie dyfundują do strumienia pary Mieszanina pary i gazu jest kierowana do drugiej dyszy, gdzie spręża się do ciśnienia próżni wstępnej p3 Pary kondensują, gaz jest odpompowany Booster pompa eżektorowa lub pompa posiadająca np. 2 stopnie dyfuzyjne i 2 eżektorowe; podniesienie szybkości pompowania dla wyższych ciśnień, podwyższenie ciśnienia próżni wstępnej

14 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Olejowa pompa eżektorowa Dobra szybkość pompowania dla ciśnień Pa (już nie radzą sobie pompy rotacyjne, jeszcze nie radzą sobie pompy dyfuzyjne) Ciśnienie próżni wstępnej ok. 200 Pa (wyższe niż dla dyfuzyjnych); odpowiednia szybkość pompowania!

15 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Wodna pompa strumieniowa

16 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Wodna pompa strumieniowa Ciśnienie doprowadzonej wody kilkaset Pa Dysza na prowadnicy wody tak uformowana, aby za dyszą wytwarzał się stożkowaty, rozbieżny strumień wody Molekuły gazu w trakcie zderzeń ze strumieniem wody zyskują pęd w kierunku wylotu Woda wypełnia cały przekrój kanału wylotowego uniemożliwienie przepływu wstecznego Ciśnienia do ok. 2 kpa (ograniczone ciśnieniem pary nasyconej w temperaturze pracy) Szybkość pompowania silnie zależy od ciśnienia wody Ograniczone zastosowanie laboratoria chemiczne, farmaceutyczne Bardzo tanie

17 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Strumieniowa pompa parowa analogicznie jak olejowa pompa eżektorowa

18 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Strumieniowa pompa parowa Para doprowadzona pod dużym ciśnieniem Silne rozprężanie pary prędkości znacznie przewyższające prędkość dźwięku Zderzające się ze strumieniem pary cząsteczki gazu zyskują pęd i wlatują wraz z parą do dyfuzora Przewężenie w dyfuzorze zmniejszenie ciśnienia, ograniczenie przepływu wstecznego Lepsze szybkości pompowania i ciśnienia końcowe niż pompy wodne Układy wielostopniowe, np. stopień parowy i stopień wodny do próżni wstępnej razem ok. 300 Pa

19 Wytwarzanie próżni pompy strumieniowe Strumieniowa pompa parowa Zastosowanie chemia, farmaceutyka, procesy destylacji Przydatne przy pompowaniu zbiornika zawierającego parę wodną lub pary substancji agresywnych chemicznie Tanie w eksploatacji, ale wypierane przez pompy membranowe (ekologia: zużycie wody, zanieczyszczenie wody oparami toksycznymi)

20 Pompy sorpcyjne Pompy sorpcyjne zeolitowe Pompy sublimacyjne Pompy jonowo-sorpcyjne getter Pompy kondensacyjne Pompowanie gazu odbywa się w wyniku wiązania molekuł gazu na powierzchniach (adsorpcja, chemisorpcja, absorpcja), albo poprzez kondensację gazu na chłodzonych powierzchniach

21 Pompy sorpcyjne zeolitowe Zeolity glinokrzemiany z metalami (Na, K,Ca), naturalne i syntetyczne Porowata struktura ogromna powierzchnia 1000 m2/g Struktura tworzy sieć komórek dużo miejsca w komórkach i pomiędzy nimi, 0,5 cm3/g Pojedyncza warstwa zeolitu molekuł gazu

22 Pompy sorpcyjne zeolitowe Adsorpcja poszczególnych gazów zależy od rodzaju gazu, temperatury, ciśnienia

23

24 Pompy sorpcyjne zeolitowe Chłodzone np. ciekłym azotem Szybkość pompowania spada wraz z ilością zaadsorbowanych gazów Skuteczne pochłanianie N2, CO2, H2O, węglowodory Słabe pochłanianie H2, He, Ne (małe molekuły) ogranicza to osiągalne ciśnienie końcowe do ok. 1 Pa (ciśnienia parcjalne tych gazów) Gdy w zbiorniku nie ma wspomnianych gazów, można uzyskać ciśnienia poniżej 0,1 Pa

25 Pompy sorpcyjne zeolitowe Podgrzanie do temperatury pokojowej odgazowanie (regeneracja zeolitu) Odgazowanie pary wodnej wielogodzinne wygrzewanie powyżej 200 C Pompowanie większych zbiorników pompy mogą być podłączane po kolei (gdy dana pompa jest już nasycona, odłącza się ją i podłącza inną, czystą)

26 Pompy sublimacyjne Sorbentem jest aktywna chemicznie warstwa metalu, nanoszona przez naparowywanie Najczęściej tytan, przez drut zawierający tytan przepływa prąd, intensywne grzanie (1500 C), parowanie tytanu Atomy tytanu osiadają na ścianki pompy Molekuły gazu padając na aktywną powierzchnię tytanu zostają zaadsorbowane, następnie uwięzione przykryte kolejnymi warstwami tytanu Możliwość szybkiego pochłonięcia dużej ilości gazu powstałego w wyniku zachodzącej reakcji chemicznej (duża szybkość pompowania, kilka m3/s)

27 Pompy sublimacyjne Nieefektywne dla gazów szlachetnych (bardzo słaba adsorpcja) Mogą powstawać zanieczyszczenia, np. wodór może reagować z węglem zawartym w tytanie, powstaje metan, który bardzo słabo adsorbuje Efektywna praca w zakresie Pa (ciśnienie końcowe ograniczone zawartością gazów szlachetnych i czystością sublimatora) Najczęściej w układach z pompami jonowo-sorpcyjnymi, lub turbomolekularnymi, ciśnienia do 10-8 Pa Stopniowe zużywanie, konieczność wymiany sublimatora

28 Pompy jonowo-sorpcyjne (sublimacyjno-jonowe); współcześnie pompy z zimnymi katodami Pompa sublimacyjna z systemem elektrod do jonizacji gazu Zestaw cylindrycznych anod umieszczonych pomiędzy dwiema równoległymi katodami, katody pokryte tytanem, jedna anoda jedna komórka Penninga Cały układ umieszczony jest w stałym, silnym polu magnetycznym 0,1 T Wysokie napięcie, wyładowanie elektryczne w gazie, powstają elektrony i jony gazu Elektrony spiralnym ruchem (długi tor) lecą w kierunku anod, po drodze mogą jonizować obojętne molekuły gazu Molekuły gazu cięższe, prawie nie reagują na pole magnetyczne; uderzają w katody, wbijają się, rozpylają tytan, emisja wtórna elektronów

29 Pompy jonowosorpcyjne; komórki Penninga

30 Pompy jonowo-sorpcyjne Atomy tytanu osiadają m.in. na anodzie, tworzą lustro sorpcyjne Obojętne molekuły gazu są trwale adsorbowane na anodach (jak w pompach sublimacyjnych) Gazy w katodach uwięzione są tylko czasowo, po serii uderzeń innych jonów w powierzchnię katody są uwalniane, proces jest podtrzymywany Emisja tytanu nie jest równomierna, w centralnej części katody tworzy się krater Dla różnych gazów różna efektywność jonizacji

31 Pompy jonowo-sorpcyjne, układ diodowy gazy szlachetne adsorbowane tylko jako jony, jest to adsorpcja czasowa,

32 Pompy jonowo-sorpcyjne, układ diodowy Niestabilność pompowania argonu (i innych gazów szlachetnych)

33 Pompy jonowo-sorpcyjne Jak trwale zatrzymać gazy szlachetne? Oddzielić powierzchnię, na którą będą wpadać molekuły gazu, od powierzchni, z której rozpylany jest tytan, układ triodowy Siatkowa katoda tytanowa w takim kształcie aby większość atomów tytanu była wybijana przez jony poruszające równolegle do osi komórki (pod małym kątem) Większość atomów tytanu trafia na trzecią elektrodę (też katodę) tarczę Jony gazu, jeśli przelecą przez siatkę tytanową, są częściowo hamowane, uderzają w tarczę z niezbyt dużą energią, są wiązane a efekt rozpylania jest minimalny, będą na trwałe przykrywane kolejnymi warstwami Szybkość pompowania argonu 30% szybkości dla powietrza (i pozostaje stała)

34 Pompy jonowo-sorpcyjne, układ triodowy

35 Pompy jonowo-sorpcyjne Bez części ruchomych i oleju brak wibracji i zanieczyszczeń Zastosowanie przy aparaturze o wysokiej czułości, np. mikroskopia skaningowa Efektywna praca dla ciśnień w zakresie Pa (w zależności od gazu) Dobra szybkość pompowania gazów szlachetnych Bardzo dobra szybkość pompowania wodoru % szybkości pompowania powietrza

36 Non evaporable getter pumps (NEG Pumps), pochłaniacze Getter porowaty materiał, adsorpcja gazu na powierzchni i szybka dyfuzja w głąb (w pompach zeolitowych tylko adsorpcja) Element grzejny optymalizacja temperatury do danego rodzaju gazu Regeneracja nasycony gazem element można odgazować przez wygrzanie Związki cyrkonowo glinowe, paski umieszczone wewnątrz objętości pompy

37 Non evaporable getter pumps (NEG Pumps), pochłaniacze Stała szybkość pompowania w zakresie próżni wysokiej i ultrawysokiej Możliwość pracy przy ciśnieniu do 12 mbar Bardzo dobra efektywność dla wodoru i jego izotopów (dlaczego?) Niepodatna na pola magnetyczne Nie generuje wibracji Brak oparów oleju W kombinacji z pompami turbomolekularnymi lub kriopompami (które gorzej radzą sobie z wodorem) Akceleratory cząstek, badania powierzchni materiałów itd.

38 Pompy kondensacyjne, kriopompy Kondensacja gazu na zimnej powierzchni (jak kondensacja pary na schłodzonym opakowaniu napoju wyjętym z lodówki) Jeśli gaz pozostaje skondensowany na powierzchni nie wlicza się w ciśnienie w zbiorniku Kriotechnika temperatury poniżej 120 K Wymrażarki (ciekły azot, 77 K H2O, CO2; ciekły hel, 4,2 K wszystko oprócz helu) Pompy przepływu ciągłego z ciekłym helem, który odbiera ciepło od wymiennika ciepła chłodzącego powierzchnię czynną Pompy chłodzące - jak lodówki

39 Wymrażarki i odrzutniki

40 Wymrażarki i odrzutniki podobne odrzutniki (chłodzone wodą) nad pompami dyfuzyjnymi

41 Pompy chłodzące Chłodzenie wykorzystanie procesu Gifforda-MaMahona (lub innego) Czynnik roboczy hel Temperatury do ok. 10 K dla układu dwustopniowego Ważny aspekt ochrona przed promieniowaniem cieplnym

42 Pompy chłodzące, głowica chłodząca

43 Schemat pompy z głowicą dwustopniową

44 Pompy chłodzące Im więcej złapanego gazu, tym wyższa temperatura powierzchni, spada szybkość pompowania Różne gazy wyłapywane na różnych etapach Pułapka sorpcyjna 80 K: H2O, CO2; Drugi stopień 10 K; na zewnątrz kriopaneli: N 2, O2, Ar, zostają H2,He, Ne Pozostałe gazy po paru odbiciach znajdą się po wewnętrznej stronie kriopaneli, która pokryta jest adsorbentem (węgiel aktywowany, żel silikonowy), następuje kriosorpcja Kriosorpcja adsorpcja poprzez siły van der Waalsa na zimnej powierzchni, następne warstwy kriokondensacja (siły van der Waalsa pomiędzy molekułami gazu)

45 Pompy chłodzące Próżnia wstępna kilka Pa (przy wyższych ciśnieniach zbyt duże przewodnictwo cieplne gazu, za dużo ciepła dochodzi do głowicy; za grube warstwy skondensowanych gazów) Ciśnienie końcowe określone przez ciśnienie par nasyconych poszczególnych gazów w temperaturze wewnątrz zbiornika i przez tę temperaturę, największy wkład: wodór; Pa Istotne parametry czas chłodzenia, czas regeneracji