Пароструйные насосы известны и широко применя­ются в промышленности вот уже более 70 лет. Их отли­чает высокая быстрота действия в области среднего, высокого и сверхвысокого вакуума, малые габариты, простота обслуживания и эксплуатации В зависимости от рода рабочего вещества различают паромасляные и парортутные насосы. Однако в отечественной промыш­ленности из-за токсичности ртутного пара парортутные насосы почти не используются.

Откачивающее действие пароструйного насоса осно­вано на увлечении удаляемого газа струей пара. В зави­симости от скорости и плотности струи и давления газа изменяется как режим истечения струи из сопла, так и механизм захвата удаляемого газа. При относительно высоких плотности струи и давлении газа струя имеет турбулентный характер с завихрениями в пограничном слое, как это показано на рис. 3-1,а.

Некоторая часть газа ,,захлопывается" и уносится завихрениями паровой струи. Кроме того, движущаяся с большой скоростью струя в силу внутреннего трения увлекает и уносит прилегающие к ней слои газа. Таким образом, осущест­вляется удаление газа обычным эжекторным соплом. По мере снижения давления газа, плотности и скорости струи пара завихрения исчезают и струя приобретает вид, показанный на рис. 3-1,6. В этом случае вязкостный

захват газа становится нич­тожно малым, но резко повы­шается вероятность диффузии газа в струю пара. Количество газа, проникающего в струю, зависит от плотности струи и площади соприкосновения струи и газа

На рис. 3-2 изображена кон­струкция четырехступенчатого диффузионного насоса. Нагре­вом с помощью нагревателя 1 создается необходимое давле­ние пара в кипятильнике 2. Пар, поднимаясь по паропро­водам 3, 4У 5, достигает коль­цевых зазоров сопл первой 9, второй 8, третьей 7 диффузи­онных ступеней откачки и ци­линдрического эжекторного сопла 6. Проходя через сопло, пар за счет ускорения теря­ет плотность и давление и в виде расширяющейся направленной струи достигает внутренней поверхности охлаждаемого корпуса насоса.

Здесь пар конденсируется, образуя жидкостный затвор, и стекает в кипятильник. Молекулы газа, летящие в на­правлении струи со входа насоса, относительно легко проникают в струю пара и вместе со струей попадают на стенку насоса. После конденсации пара в жидкость молекулы газа из нее испаряются, но уже в пространстве под струей. Молекулы газа, находящиеся в пространстве под струей и движущиеся с тепловыми скоростями, не могут преодолеть в обратном направлении барьер, создаваемый струей пара. Плотность и скорость струи таковы, что вероятность пролета молекулы газа через струю без столкновения хотя бы с одной молекулой пара ничтожно мала.

При столкновении молекула газа получает импульс движения и направление дальнейшего движения в направлении откачки, т. е. возвращается в пространство под струей или на стенку корпуса насоса. Направление же движения молекул пара при столкно­вении мало изменяется в силу большого превосходства их массы над массой молекул газа. Таким образом,

во-первых, струей осуществляется перемещение молекул газа в направлении к выхлопному патрубку насоса, т. е. откачка, во-вторых, струя является преградой, разделя­ющей области с различными давлениями газа и предот­вращающей перетечку газа из области с относительно высоким давлением в об­ласть с более низким дав­лением.

В результате суммарного действия отдельных столкно­вений молекул газа с моле­кулами пара газ оказывает давление на струю пара. В силу ограниченности запа­са кинетической энергии мо­лекул пара струя может вы­держать только определен

­

ную величину этого давле­ния. Превышение этой величины приводит к срыву струи, к прорыву преграды, разделяющей области с разными давлениями газа, и тем самым к нарушению процесса откачки. Чтобы иметь относительно высокое давление на выходе насоса, в корпусе насоса последовательно располагают несколько ступеней откачки (сопл). Пер­вая, верхняя ступень при низком давлении срыва струи обеспечивает максимальную быстроту откачки благода­ря относительно низкой плотности струи и максималь­ного проходного сечения — сечения, ограниченного кор­пусом и соплом.

Вторая ступень с более высоким давле­нием срыва струи должна обладать быстротой откачки, достаточной для того, чтобы обеспечить давление под верхней ступенью ниже давления срыва струи, и т. д. Наибольшее давление срыва струи у эжекторного сопла. Поэтому эжекторная ступень откачки устанавливается на выходе насоса и определяет его наибольшее вы­пускное давление, т. е. то давление в выходном сече­нии насоса, при котором насос еще может осущест­влять откачку. Давление срыва струи эжекторного сопла диффузионного насоса имеет значение около 10 Па (10-1 мм рт. ст.). Последовательно с диффу­зионным насосом устанавливается форвакуумный насос, способный воспринять поток откачиваемого газа и обес­печить на выходе диффузионного насоса вакуум, необхо­димый для его нормальной работы.

Типичный график быстроты действия диффузионного насоса в зависимости от впускного давления представ­лен на рис. 3-3. Весь диапазон рабочих впускных давле­ний можно условно разделить на три области: область предельного остаточного давления /, область постоянной быстроты действия //, область наибольших рабочих давлений 77/.

Работа насоса в области наибольших рабочих дав­лений нестабильна и сопровождается поступлением в от­качиваемый сосуд большого количества пара рабочей жидкости насоса. Область постоянной быстроты дейст­вия—основная рабочая область и характеризуется наибольшей стабильностью работы насоса. В области предельного остаточного давления газ, проникающий сквозь струю со стороны форвакуума, снижает эффек­тивную быстроту действия насоса. Точка пересечения кривой быстроты действия с осью абсцисс соответствует предельному остаточному давлению.

В настоящее время разработаны паромасляные насо­сы самой различной производительности с быстротой действия от нескольких литров до 200 000 л/с. Быстрота действия определяется, в частности, входным сечением насоса. По мере увеличения габаритов насоса, а следо­вательно, и быстроты действия сужается область посто­янной быстроты действия, повышается предельное оста­точное давление и понижается наибольшее выпускное давление (см. приложение 6).

Снижение наибольшего выпускного давления вызы­вает определенные неудобства, так как и высокопроиз­водительные механические насосы имеют повышенное остаточное давление и меньшую быстроту действия в области предельного остаточного давления. Тем самым появляется необходимость в промежуточном бустерном цасосе, который имел бы наибольшую быстроту действия в диапазоне выпускных давлений диффузионного насоса и выпускное давление, соответствующее максимальной быстроте действия форвакуумного насоса. Практически бустерный насос становится необходим в вакуумных установках на базе диффузионных насосов, обладающих быстротой действия более 10 000 л/с

Бустерный насос (рис. 3-4) отличается от диффузи­онного тем, что он работает с повышенной плотностью пара, достигаемой прежде всего увеличением мощности нагревателя. Давление пара в кипятильнике бустерного насоса по крайней мере на по­рядок больше давления пара в кипятильнике диффузионного насоса. Внешней отличитель­ной особенностью бустерного насоса является большой раз­мер кипятильника. Увеличение плотности струи и скорости истечения пара из сопла при­водит к изменению основных вакуумных характеристик бу­стерного насоса в сравнении с диффузионным насосом. Мак­симальная быстрота действия здесь соответствует уже обла­сти впускных давлений 10^-2— 2 Па. Наибольшее вы­пускное давление составляет несколько сотен паскалей. Ко­роче плато на графике быстроты действия имеет место пологий спад в области высоких впускных давлений. Обратный поток углеводородов, который и определяет в данном случае остаточное давление, много больше, чем у диффузионных насосов.

 Рис. 3-4. Бустерный насос БН-2000 1 — маслоотражатель, 2 — корпус; 3 — паропровод; 4 — кипятильник; 5 — ка­нал с пробкой для слива масла из кипятильника; 6 — электронагреватель; 7 — трубка с пробкой для заливки масла в кипятильник; 8 — сопло эжекторной ступени; 9 — конфузор эжекторной ступени, 10 — водоохлаждаемая ловушка.