В пароструйных насосах газ увлекается струей пара рабочей жидкости Если в молекулярных насосах трудно придать ротору скорости порядка тепловых скоростей молекул, необходимые для эффективного увлечения, то струя пара сравнительно легко может быть сделана сверхзвуковой Скорость звука равна озв = = V" У-Р/р, где р = тп — плотность газа, от — скорость его молекул (Р = рОт/3), т. е. изв»0,68ит
На рис. 15 показана схема пароструйного насоса Зонтичная струя пара захватывает и увлекает молекулы газа, затем пар конденсируется на охлаждаемой стенке насоса, масло, стекая в кипятильник, - выделяет газ в область под струей. Затем рабочая жидкость в кипятильнике вновь испаряется, поднимается по паропроводу, через сопло опять образует струю пара и т. д., совершая непрерывный кругооборот.
Струя пара разделяет области низкого входного дав-> ления Авх и более высокого выходного давления РВых„ однако большого перепада давлений струя выдержать не может, поэтому выходной патрубок пароструйного насоса должен откачиваться механическим насосом. Поскольку оба насоса прокачивают один поток газа, их параметры должны удовлетворять условию
Быстроту откачки для каждого насоса берут при их входном давлении, кроме того, очевидно Рп и = "м и • Например, для пароструйного насоса с быстротой откачки Stt„=100 лМек при перепаде давлений на нем 10~2—10~6 тор следует использовать масляно-ротационный насос с SM и = 0,1 л!сек
Механизм увлечения газа различен в насосах эжекторных (760—10-1 тор), бустерных (10-1— 10-4 тор) и диффузионных (10-4—107 тор). Чем выше давление газа на входе насоса, тем больше должна быть плотность пара в струе. При больших скоростях истечения пара увеличение газа происходит в результате турбулентно-вязкостного перемешивания вихрей пара с частицами газа (эжекторные насосы). С понижением давления и уменьшением расхода пара возрастает роль вязкостного захвата в ламинарную струю (бустерные насосы).
за порядка диаметра на-coca, работает только диффузионный механизм проникновения молекул газа в струю пара, плотность струи должна быть
При очень низких давлениях, когда свободный пробег молекул га-малой, а скорость струи — большой для эффективной передачи импульса молекулам газа (диффузионные насосы). При случайном соударении молекул газа со струей молекулы могут как отразиться, так и диффундировать в струю из-за разницы входного давления и парциального давления газа в струе. Элементы струи пара насыщаются газом постепенно по мере движения от сопла к стенке.
Давление газа (РВых) под струей больше давления Рвх над струей, тем более Рвых больше давления газа в струе. Поэтому одновременно с диффузией газа сверху в струю происходит вредная диффузия газа снизу в струю. Газ, диффундировавший в струю снизу из области более высокого выходного давления, не выносится вверх, а увлекается струей вниз и при конденсации пара выделяется обратно в область РВЫх- Поэтому важен малый угол наклона струи к стенке. Коэффициент компрессии диффузионного насоса при предельном вакууме на его входе равен [37]: где А — площадь струи. Этот предел тем- больше, чем больше скорость струи пара, однако уже при on=2vr быстрота откачки достигает 89% максимума, так что не требуются очень большие скорости струи. При достигается максимальная быстрота откачки идеального диффузионного насоса, равная 5=Лпт/4. Легко видеть, что этот же результат получают в предположении, что насос откачивает все молекулы, соударяющиеся без отражений с поверхностью его струи. На струю падает в единицу времени Av молекул, где v = /wT/4; в единице объема заключено п молекул; следовательно, падающим молекулам соответствует объем Av/n, т. е. А пт/4.
Коэффициент компрессии тем больше, чем больше скорость ип, плотность пп и толщина струи L. Быстрота откачки диффузионного насоса стремится к верхнему пределу, равному:
В действительности быстрота откачки насоса меньше максимальной. Обычно Хо [см. уравнение (94)] оказывается порядка 0,3—0,4. Эта величина определяется отражением молекул газа от струи, ограниченной пропускной способностью входного патрубка насоса, обратной диффузией и т. д.
Важнейшей характеристикой пароструйных насосов является зависимость быстроты откачки от входного давления. Для диффузионных насосов она имеет плато в широком диапазоне давлений (рис. 16). При малых давлениях порядка предельного вакуума S(P) уменьшается, согласно уравнению (78), из-за обратной диффузии, растворимости воздуха в масле, газоотделения деталей и т. д. При высоком давлении S(P) также уменьшается, так как повышение Рвх вызывает увеличение давления под струей и нарушение ее нормальной работы. Паспортные характеристики насосов относятся к номинальной мощности нагревателя 1170. От мощности, подводимой к насосу, зависят скорость и плотность струи пара. В результате подбора IV'o является оптимальной мощностью, т. е. соответствует наибольшей быстроте откачки и самому низкому остаточному давлению РПр- Увеличение мощности смещает характеристику S(P) в область более высоких давлений.
Зависимость быстроты откачки диффузионных насосов от рода газа сложна. Максимальная быстрота откачки, согласно уравнению (94), увеличивается с уменьшением молекулярного веса газа, так как S~vT~Л4~1/2. Однако обратная диффузия для легких газов больше и уменьшает быстроту откачки прй убывании М. При различных режимах струи преобладает одна или другая тенденция (рис. 17). При большой плотности струи сильнее основная зависимость, и быстрота откачки, например, по гелию больше, чем по воздуху. При малой мощности нагревателя облегчается обратная диффузия и S убывает с уменьшением М.
Предельный вакуум диффузионных насосов зависит от обратного потока газа и от упругости паров рабочей жидкости. Согласно уравнению (92), Рпр тем лучше, чем больше плотность и скорость струи, и тем хуже, чем меньше молекулярный' вес газа. Для уменьшения обратной диффузии и растворимости газа в масле следует уменьшить давление под струей Рвых. С этой целью насосы делают многоступенчатыми (см. рис. 15). Растворимость воздуха зависит от температуры стекающего масла. Опыты с подогревом нижней части насоса (укорочение охлаждающей водяной рубашки) подтвердили улучшение предельного вакуума.
Применяемое в насосах масло неоднородно по составу и содержит фракции с различной упругостью пара и температурой кипения. В многоступенчатых насосах применяется автоматическое фракционирование масла для понижения остаточного давления Рвх на входе и повышения допустимого давления РВып на выходе насоса. Если в верхнее высоковакуумное сопло направить тяжелые фракции масла с низкой упругостью пара, то улучшится предельный вакуум насоса, а если в нижнее сопло направить легкие фракции с высокой упругостью пара, то струя станет более плотной и, следовательно, более прочной относительно высокого давления на выходе. На экспериментальном насосе [4] предельный вакуум без фракционирования обезгаживания стекающего масла составил 2 • 10-4 тор; с фракционированием, но без обезгаживания 10-5 тор; с фракционированием и обезгаживанием 6- 10-7 тор.
С увеличением мощности нагревателя масло обогащается легкими фракциями и ухудшается предельный вакуум насоса. Наибольшее обратное давление диффузионного насоса определяется плотностью струи и возрастает с увеличением мощности нагревателя. При увеличении давления на выходе насоса РВых более допустимой величины РВып происходит прорыв струи масла газом снизу и резко возрастает давление на входе насоса Рвх- Насос также перестает работать, если мощность нагревателя уменьшается ниже критического значения №кр, необходимого для поддержания сформированной струи пара.