Вакуумные насосы: вопрос - ответ

Вакуумный насос - это устройство, предназначенное для эвакуации (удаления) газов и паров из замкнутого объёма.

С помощью вакуумного насоса можно создать в замкнутом объеме давление, меньше атмосферного (т.е. "откачать" замкнутый объем). Замкнутый объем обычно называют вакуумной камерой или вакуумной системой.

Предельное остаточное давление (также часто используют понятие "предельный вакуум") - минимальное давление на впускном патрубке насоса, которое может обеспечить насос.

Универсальный ответ - до предельного остаточного давления (зависит от типа и конструкции насоса). Форвакуумным насосом можно откачать вакуумную камеру до (0.5-1)×10^-3 Торр, высоковакуумным - до (0.5-1)×10^-10 Торр.

Невозможно откачать вакуумную систему до давлений, ниже чем -1 атмосфера (если 0 атм это атмосферное давление)! Потому, что нельзя откачать из замкнутого объема больше газов и паров, чем то количество, которое в этом объеме содержится. А содержится в замкнутом объеме ровно столько газа, сколько обеспечивает давление, равное одной атмосфере. Так что мы, конечно же, не сможем поставить мановакуумметр с нижним пределом, скажем "минус 2 атмосферы". "Злостным" нарушителям фундаментальных законов физики мы можем порекомендовать обратиться за таким прибором в комитет по Нобелевским премиям...

Ответ следует из предыдущего "вопрос-ответа"а: если вы откачали вакуумную камеру до давлений ниже 1 Торр (или "ниже чем -1 атм"), давление, воздействующее на стенку вакуумной камеры (вакуумного шланга, сильфона и т.п.) с внешней стороны, равно 1 атм. (или 1 кг на 1 см² (1 кг/см²). Силу, действующую на стенку, рассчитываем по формуле F=pS (p - давление (в данном случае 1 атм); S - площадь поверхности).
Откачка до давлений, меньших 1 Торр, нисколько не увеличит давление на стенку вакуумной камеры с внешней стороны.

Газобалластное устройство - это клапан, расположенный на корпусе насоса, позволяющий подавать воздух непосредственно в полость форвакуумного насоса. Обычно имеет ручное управление. В современных вакуумных насосах насосах - трехпозиционный: 1-ое положение, обычно помечено "0" - клапан газобалласта закрыт, насос работает в обычном режиме; 2-ое положение, обычно помечено "I" - клапан газобалласта приоткрыт, в насос поступает относительно небольшое количество воздуха; 3-е положение, обычно помечено "II" - клапан газобалласта масимально открыт.
Клапан газобалласта рекомендуется открывать при откачке сред, содержащих пары воды или агрессивные примеси. (см. соответствующий "вопрос-ответ" на этой страничке). Если клапан газобалласта открыт, предельное остаточное давление, обеспечиваемого вакуумным насосом, увеличивается. Но при этом происходит продувка полости вакуумного вакуумного насоса воздухом и, соответственно, концентрация водяного пара или агрессивных примесей существенно уменьшается. Это увеличивает ресурс насоса и, для "масляных" насосов, интервал между заменами масла.

При откачке "масляным" форвакуумным насосом сред, содержащих водяной пар, влага неминуемо попадает в рабочую жидкость - вакуумное масло. Масло в смеси с водой образует эмульсию, смазывающая способность которой существенно хуже, чем у масла. Следствием является ускоренный износ пар трения в вакуумном насосе. Кроме того, усиливается коррозия внутренних частей насоса (это справедливо также для "сухих" насосов). Масло в вакуумном насосе таких случаях приходится менять очень часто - полностью избавится от этого не удастся. Однако можно заметно увеличить интервалы между сменами масла, если использовать следующие рекомендации:
- Используйте на входе насоса фильтр. Он задержит некоторую часть влаги.
- Перед началом откачки откройте клапан газобалласта - это уменьшит концентрацию водяного пара в полости насоса
- После завершения процесса откачки камеры, закройте клапан, отсекающий вакуумную камеру от насоса. Не выключайте насос и не закрывайте клапан газобалласта!
- Дайте насосу поработать 20-30 минут ("на себя") с максимально открытым клапаном газобалласта, насос должен быть прогрет до рабочей температуры. Это позволит, продувая полость насоса воздухом, удалить практически весь водяной пар.
Эти рекомендации актуальны и при откачке сред, содержащих пары, не взаимодействующие химически с вакуумным маслом. Если же среда агрессивна по отношению к маслу, используйте химически стойкие масла.

Да, зависит. Если существенно различается давление насыщенных паров. Низкокачественные масла, как правило, содержат большее количество примесей с высоким давлением насыщенных паров. При рабочей температуре насоса это может стать существенным. При подборе масла учитывайте это.

Ориентировочная частота смены масла в насосе указывается в инструкции по эксплуатации насоса - крайне желательно выдерживать эти интервалы. Однако состояние масла очень сильно зависит от условий эксплуатации и во многих случаях его необходимо менять чаще. Перечислим основные случаи:
- Масло приобрело оттенок или изменило цвет. Это может произойти, например, вследствие химических реакций (окисление и др.);
- В масле заметно присутствие посторонних частиц (взвесь) - часто из-за присутствия в откачиваемой среде механических частиц. После смены масла рекомендуем установить фильтр на входе насоса;
- Жидкость в насосе напоминает непрозрачную смесь белого цвета с мелкими пузырьками. Это эмульсия, образовавшаяся при попадании значительного количества воды в насос (при откачке водяного пара, конденсат и т.п.). В этом случае необходима срочная замена масла! Слитое масло конечно отстоится и его можно будет отделить от воды, но не стоит его снова заливать в насос...
Проверяют состояние масла через смотровое окно, расположенное на боковой поверхности насоса.
Если не сменить в этих случаях масло, ресурс насоса уменьшится вследствие износа соприкасающихся при работе частей. Особенно в последнем случае. В процессе замены не забудьте промыть насос свежим маслом и только потом заправьте новым.

Рекомендуем всегда использовать масло (масла), указанные в инструкции по эксплуатации насоса. Если это по каким-либо причинам невозможно, то при подборе масел нужно руководствоваться следующими правилами:
(a) "Новое" масло должно быть предназначено для использования в механических насосах - в противном случае масло может образовывать излишнее количество пены, пузырьков, ухудшающих смазку трущихся частей и изоляцию камер насоса;
(b) Для подбора "нового" масла выясните вязкость "штатного" масла при комнатной температуре и при рабочей температуре насоса (может достигать 50-60°С). Вязкость очень сильно зависит от температуры - выбирайте масло, максимально близкое по этим параметрам.
(c) Кроме того, следует обращать особое внимание на давление насыщенных паров масла (при рабочей температуре насоса). От этой характеристики будет зависеть предельное остаточное давление. Название "вакуумное масло" подразумевает очистку от летучих фракций, поэтому просто заменить "дорогое" масло "дешевым" в большинстве случаев не получится - процесс очистки стоит денег. По этой же причине тем более лучше отдохнуть от мыслей по использованию "обычных" (не вакуумных) масел.
Следует отметить, что в большинстве случаев форвакуумные насосы с масляным уплотнением достаточно "всеядны" - если рассматривать насос как механизм и не особенно заботится о ресурсе насоса и предельном остаточном давлении. На самом деле правильно проводить ресурсные испытания - только тогда можно что-то гарантировать. В любом случае, применяя масло не рекомендованное изготовителем насоса, Вы принимаете риск за последствия на себя.
Помните, что при смене марки масла насос необходимо промыть. Нельзя смешивать масла, тем более масла с разной основой (минеральные и синтетические).

Вся идеология сохраняется при необходимости замены масла на химически стойкое.

Распределительная коробка, в которой находится колодка с клеммами для подключения к электрической сети, располагается на корпусе электродвигателя, для доступа к колодке необходимо открутить винты крышки. Перед подключением насоса к сети электропитания необходимо изучить инструкцию по эксплуатации насоса. А если инструкции нет - информацию на шильде электродвигателя. Самая важная информация – напряжение питания. При подключении соблюдайте следующие общие правила:
(a) если в распределительной коробке электродвигателя только три клеммы, то это означает, что коммутация обмоток по схеме «звезда» (Y) или «треугольник» (Δ) выполнена внутри корпуса двигателя. На шильде электродвигателя будет указано одно напряжение. Электродвигатель подключается к сети указанного на шильде напряжения - по одному проводу (фазе) на каждую клемму. Здесь не надо заботиться о том, по какой схеме работает электродвигатель.
(b) если на шильде электродвигателя указано одно напряжение U (например, ~380V или ~380В), то двигатель подключается к сети с указанным на шильде напряжением по схеме «звезда» (Y). Его также можно подключить к сети с переменным напряжением U₂=U/1.73 по схеме «треугольник» (Δ).
(с) если на шильде электродвигателя указаны два напряжения U₁/U₂(например, ~380/220V), электродвигатель может быть подключен - к трехфазной сети переменного напряжением U₁ по схеме «звезда» (Y) или к трехфазной сети с переменным напряжением U₂ по схеме «треугольник». По схеме «звезда» электродвигатель всегда подключается к сети с наибольшим напряжением из указанных на шильде.

Итак, в распределительной коробке находится 6 клемм, расположенных в два ряда, по три клеммы в каждом.
- При соединении «звезда» все три клеммы одного из рядов соединены между собой перемычкой (перемычками). Три фазы подключаются к остальным трем клеммам (это начала обмоток) – по одному проводу (фазе) на каждую клемму.
- При соединении «треугольник» клеммы разных рядов попарно соединены между собой перемычками (всего в распределительной коробке Вы увидите три параллельно расположенных перемычки). Три фазы подключаются к соединенным клеммам – по одному проводу (фазе) на каждую пару соединенных между собой клемм. В любом случае корпус электродвигателя заземляется. См. также вопрос "Первый пуск: определение направления вращения"

После подключения насоса к сети электропитания (см "По какой схеме («звезда» или «треугольник») подключать насос...") необходимо определить направление вращения вала электродвигателя.
Насосы с прямым приводом: Для этого закрываем входной порт подходящим фланцем с уплотнением и кратковременно включаем / выключаем электропитание. Если фланец «прилип» к входному порту, – тогда все в порядке, фазы присоединение фаз выполнено правильно. Если нет – необходимо поменять местами провода любых двух фаз.
Важно:
Если Вы задешево приобрели насос без обратного клапана (такие встречаются), и если фазы были подключены неверно, такой насос довольно сильно «выплюнет» масло из входного порта. Во избежание этого фланец необходимо с усилием прижимать к порту, а насос включать, как и было написано выше, кратковременно. Ну и запасной комплект одежды приготовить на всякий случай… :)
Насосы с ременным приводом – направление вращения проверяется без присоединенных приводных ремней.

Диаметр магистрали не должен быть меньше диаметра входного порта вакуумного насоса. Магистраль меньшего диаметра уменьшит эффективную скорость откачки. Длина магистрали должна быть по возможности минимальной по той же причине. Рекомендованные (стандартные) диаметры магистрали: 10, 16, 25, 40, 50, 63, 80, 100, 160, 200, 250, 320б ... мм.

При проверке насоса должны быть соблюдены следующие условия:
- Насос всегда проверяется «на себя». Это означает, что он отключен от вакуумной системы (в которой может быть течь), к входному порту герметично присоединен манометрический преобразователь («датчик вакуума») на необходимый диапазон;
- Присоединенный к насосу манометрический преобразователь должен быть исправен и правильным образом откалиброван. Очень хорошо, если для целей проверки служит отдельный датчик, который больше нигде не используется (желательно иметь отдельные датчики для масляных и «сухих» насосов). Его надо периодически проверять. Помните, что для насосов, рассчитанных на низкий и средний вакуум, обычно используются тепловые манометрические преобразователи (термопарные, терморезисторные) , которые очень чувствительны к загрязнениям. Иногда приходится сталкиваться с ситуацией, когда для проверки пытаются использовать преобразователь, из которого масло только что струей из корпуса не вытекает… Такой преобразователь можно использовать только в том случае, если вам абсолютно не важен результат проверки! Для подключения преобразователя также не должен использоваться древний вакуумный шланг: используйте компрессионное («грибковое») соединение (оно недорого стоит) или преобразователь с фланцем. Помните о калибровке – тепловые датчики и так не отличаются очень высокой точностью, и на краю диапазона неоткалиброваный датчик с гарантией будет давать недостоверные показания.
- Все соединения должны быть вакуумно плотными, фланцы должны быть перед сборкой очищены от загрязнений и в идеальном случае не иметь дефектов.

При проверке насоса обязательно дождитесь, пока он достигнет рабочей температуры. В некоторых случаях при прогреве предельное остаточное давление начинает уменьшаться. В случае пластинча-роторного насоса это свидетельствует о сущственном износе пластин и/или внутренней поверхности корпусов ступеней.

Принцип проверки высоковакуумных насосов в целом такой же: «на себя» + проверенный датчкик.

Есть два варианта ответа:
- Возможен брак - тогда надо обратиться к поставщику для гарантийного ремонта или замены насоса (конечно, надо предварительно грамотно проверить насос - см. соответствующий вопрос-ответ).
- Достаточно распространенным случаем является покупка совсем дешевого 2-х ступенчатого пластинчато-роторного насоса, предназначенного для заправки холодильной техники. Такие насосы не предназначены для длительной работы. И производитель не лукавит - заявленное предельное остаточное давление насос на самом деле выдает! Но достаточно короткое время - пока не прогреется до рабочей температуры. Далее предельное остаточное давление плавно, но достаточно быстро уменьшится на порядок - полтора. Если Вы работали раньше с пластинчато-роторными насосами, то знаете, что точно так же себя ведет насос с изношенными парами трения. Пока насос холодный - тепловые зазоры не очень велики и насос очень похож на исправный. Но по мере прогрева зазоры увеличиваются, насос начинает "качать хуже". Интернет переполнен заявлениями, что такой-то насос является аналогом, скажем 2НВР-5Д. Однако, это далеко не всегда так... Не путайте насосы для заправки холодильной техники и насосы, предназначенные для непрерывной работы, несмотря на схожие заявленные характеристики!