О газобалласте простыми словами

На многих вакуумных насосах можно встретить газобалластный клапан. На многих, но не на всех. Что это такое и для чего он нужен мы и рассмотрим в данной статье.

Как правило, газобалластное устройство встречается в маслосмазываемых пластинчато-роторных насосах. Причина проста — именно они больше всего боятся конденсата: при смешивании вакуумного масла с водой образуется водно-масляная эмульсия, которая не может обеспечить ни достаточную герметичность насоса, ни достаточное охлаждение. Кроме того, вода способствует ускоренной коррозии металла, что тоже нежелательно. Именно для борьбы с водяным конденсатом и используется газобалластное устройство. 

Сам газобалласт — это просто клапан, который подмешивает небольшие порции атмосферного воздуха в рабочую камеру насоса — ничего примечательного в его устройстве нет.

Однако, чтобы понять, как он работает, придется познакомиться с такими понятиями, как насыщенный и ненасыщенный пар, а также парциальное и абсолютное давление. 

Для вакуумной техники особое значение имеет такой показатель, как давление насыщенных паров. Чтобы понять его, представим стакан с водой, стоящий под вакуумным колпаком (рисунок ниже). Если мы откачаем из колпака воздух, жидкость начнет ускоренно испаряться. Любая жидкость при достаточно низком давлении стремится полностью испариться. На этом эффекте основана вакуумная сушка — насос откачивает воздух, жидкость начинает испаряться, насос откачивает водяной пар и жидкость испаряется до тех пор, пока полностью не испарится. Если же откачать воздух и выключить насос, то сначала жидкость будет испаряться, как обычно. Но возникающий пар будет постепенно заполнять емкость и создавать давление. По мере повышения давления все больше молекул будут периодически влетать обратно в жидкость — скорость испарения будет замедляться. При некотором давлении — не таком уж и большом — все молекулы, которые испаряются из жидкости будут в нее же и возвращаться. Такая точка насыщения, при которой количество испаряющихся молекул равно количеству молекул, влетающих обратно в жидкость, называется давлением насыщенного пара.

Рис. 1: Формирование насыщенного пара над поверхностью жидкости. Синим отмечены молекулы с большей энергией, красным — молекулы с меньшей энергией.

Что произойдет, если мы снова включим насос и попытаемся откачать чистый водяной пар? Давление насыщенных паров воды при нормальной температуре составляет 2,33 кПа (23 мбар) — это в 43 раза меньше атмосферного давления — значит насосу придется сжать водяной пар как минимум в 43 раза, прежде, чем насос сможет вытолкнуть его в атмосферу. И тут возникает проблема: если попытаться хоть немного сжать насыщенный пар — он начнет конденсироваться в виде жидкости. Если речь идет о водяном паре, то образующаяся вода может попасть в вакуумное масло. Образовавшаяся в результате водно-масляная эмульсия не сможет обеспечить ни смазку, ни герметичность. Кроме того, вода будет способствовать коррозии металла. Поэтому маслосмазываемые насосы нужно обязательно защищать от конденсата. Но сделать это, без газобалласта, не так уж просто.

Даже в обычном воздухе всегда содержится небольшое количество водяных паров. Но в норме они не оказывают заметного влияния на технику, так как не конденсируются. В газо-паровой смеси гораздо больше молекул газа, чем молекул пара. В итоге, основное давление создает именно газ, а парциальное давление пара в воздухе остается значительно ниже давления насыщенного пара. Например, парциальное давление пара в воздухе обычного офиса — 0,007 кПа. Для сравнения, парциальное давление кислорода — 21,2 кПа, а парциальное давление азота — 79,1 кПа — в десять тысяч раз больше! Сложив все эти цифры вместе (и добавив парциальное давление прочих газов) мы и получаем стандартное атмосферное давление, которое составляет чуть более, чем 101 кПа. Вообще, парциальное давление паров воды может отличаться: при максимальной влажности воздуха — например, в паровой бане — парциальное давление водяного пара в воздухе может достигать 9,5 кПа при 43 °С, или 2,33 кПа при 20 °С. 

Как можно заметить из примера выше, давление насыщенных паров зависит от температуры. На рисунке ниже видно, что чем больше температура, тем больше молекул могут оставаться в виде пара: иными словами, давление насыщенного пара растет по мере роста температуры. 

Рис. 2: Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Итак, при 20 °С давление насыщенного водяного пара составляет 2,33 кПа. Присмотримся к этой цифре внимательнее: она в 43 раза меньше, чем атмосферное давление. То есть чистый водяной пар невозможно сжать до атмосферного давления вообще: при нормальной температуре он весь превратится в воду. Однако, мы можем добавить к нему какой-нибудь газ. Чем отличается газ от пара? Газ никогда не конденсируется при данной температуре, как бы мы его не сжимали. А вот пар при определенном давлении может выпасть в осадок в виде конденсата. Самыми доступными газами являются азот и кислород, так как именно из них на 99 % и состоит атмосферный воздух.  

Руководствуясь примерно такими соображениями немецкий инженер Вольфганг Макс Пауль Гаеде в 1935 году разработал газобалластный клапан. Газобалласт — это устройство, которое подмешивает к перекачиваемому воздуху небольшую порцию воздуха атмосферного. 

Рис. 3: Принцип работы газобалластного устройства.

Основная задача вакуумного насоса — откачка воздуха. Нагнетать высокое давление на выходе вакуумным насосам не нужно. Это значит, что на выходе из насоса достаточно создать давление, лишь совсем чуть-чуть превышающее атмосферное. Поэтому, если идеальный вакуумный насос откачивает атмосферный воздух, не содержащий насыщенных паров, то конденсата в нем почти никогда не будет. Из этого правила есть одно исключение, о котором мы поговорим чуть позже.

На картинке ниже схематично изображен пластинчато-роторный насос. Рассмотрим вариант, когда насос уже создал достаточно низкое давление на всасывающей линии (1), и теперь работает в режиме поддержки вакуума. Если в вакуумируемом сосуде нет источников водяного пара, то и проблем нет — насос сможет работать так сколько угодно долго. Предположим, однако, что в откачиваемом газе присутствует пар. На картинке ниже за каждый цикл работы насоса втягивается 20 молекул перекачиваемого газа (красные точки), среди которых находятся всего десять молекул пара (синие точки). Именно такая порция из тридцати молекул изображена ниже между любыми двумя соседними лопатками. На рисунке хорошо видно, что изначально давление низкое, и молекулы жидкости находятся друг от друга на значительном расстоянии (2). Поэтому воздух на входе кажется сухим. Именно расстояние между молекулами дает нам косвенное представление о давлении: чем ближе молекулы друг к другу, тем выше давление. Причем, абсолютное давление — это расстояние между всеми молекулами, а парциальное давление — это расстояние между молекулами одного типа (в нашем случае — одного цвета).

По мере того, как порция газа продвигается к зоне сжатия насоса (3), растет и давление (как парциальное, так и абсолютное). Молекулы сближаются все больше и больше. В какой-то момент, молекулы пара окажутся настолько плотно прижаты друг к другу, что часть их объединится в жидкость и выпадет в виде росы (4) — парциальное давление в этот момент будет равно давлению насыщенного пара. На рисунке ниже видно: несмотря на то, что в зоне (4) по прежнему на каждую молекулу воды присутствуют две молекулы газа, парциальное давление пара выросло во много раз. Если быть точным, то в системе без газобалласта парциальное давление пара растет с такой же точно скоростью, как и абсолютное давление.

Рис. 4. Парциальное давление пара в насосе без газобалластного клапана: 1 — всасывающая линия; 2 — изолированная между двумя лопатками порция газа перед сжатием; 3 — порция газа в момент сжатия; 4 — выходной патрубок.

Совсем иначе ведет себя газ, если к нему подмешать немного атмосферного воздуха. На картинке ниже в откачиваемом воздухе (1) по-прежнему находится десять молекул паров жидкости на 20 молекул газа, то есть на одну молекулу жидкости также приходится две молекулы газа. Но в этот раз через газобалластный клапан (6) в насос подсасывается атмосферный воздух. Его абсолютное давление во много раз больше, чем поддерживаемый насосом вакуум. Причем, парциальное давление водяного пара в атмосферном воздухе, за редким исключением, много меньше давления насыщенных паров. Даже если насос установлен во влажном помещении, забор воздуха для газобалласта всегда можно осуществить за пределами влажного помещения. 

На картинке ниже парциальное давление пара в вакуумируемом сосуде и в поступающем из газобалласта воздухе примерно одинаково — расстояния между синими молекулами совпадают. Это значит, что и тот и другой воздух ощущаются, как одинаково сухие. Но так как абсолютное давление атмосферного воздуха значительно выше, на одну молекулу пара (синюю) в атмосферном воздухе (зона 6) приходится уже 20 молекул газа (красные). Кстати, в реальных условиях в атмосферном воздухе на каждую молекулу жидкости приходится еще больше молекул газов. 

Когда порция атмосферного воздуха подмешивается к перекачиваемому газу, атмосферный воздух расширяется, и его давление падает. Однако, результирующее давление в зоне (5) оказывается уже значительно выше, чем в зоне (2). На картинке ниже можно подсчитать, что в зону подмеса (5) из всасывающей линии (2) поступило 20 молекул газа и 10 молекул пара (всего 30), а из газобалласта (6) засосало 20 молекул газа и лишь 2 молекулы пара (в сумме 22). Мы помним, что парциальное давление пара у этих газов изначально было одинаковым, а абсолютное давление отличалось на несколько порядков. По картинке легко подсчитать, что в зоне подмеса (5) теперь оказалось 40 молекул газа и 12 молекул пара (или 52 молекулы суммарно. Это значит, что абсолютное давление внутри насоса выросло почти в два раза (с 30 до 52 молекул на единицу объема), а парциальное давление водяного пара увеличилось очень незначительно (с 10 до 12 молекул на единицу объема). Более того, так как абсолютное давление выросло почти в два раза, насосу придется вдвое меньше сжимать воздух, чтобы вытолкнуть его в атмосферу. А значит и парциальное давление водяного пара увеличится вдвое меньше, чем без газобалласта. 

Основное правило газобалласта таково: чем больше воздуха из атмосферы мы подмешиваем, тем меньше возрастет давление водяных паров в откачиваемом воздухе, и тем меньше будет вероятность выпадения конденсата. 

Рис. 5. Парциальное давление пара в насосе с газобалластным клапаном: 1 — всасывающая линия; 2 — изолированная между двумя лопатками порция газа перед сжатием; 3 — порция газа в момент сжатия; 4 — выходной патрубок; 5 — зона подмеса балластного газа; 6 — газобалластный клапан.

Еще раз сравним устройства с газобалластом и без него: 

Без газобалласта парциальное давление воздуха и парциальное давление пара растут синхронно, а с газобалластом абсолютное давление растет намного быстрее парциального давления пара.

Без газобалласта насос вынужден сжимать откачиваемый воздух во столько раз, во сколько атмосферное давление больше, чем давление в вакуумируемой линии.  Если же у насоса есть газобалластный клапан, то давление откачиваемого воздуха увеличится сначала за счет смешивания с атмосферным воздухом, и насосу уже не потребуется его так сильно сжимать, чтобы вытолкнуть в атмосферу. А значит и парциальное давление пара вырастет не так сильно.

Рис. 6. Сравнение парциального давления водяных паров с газобалластным клапаном (слева) и без газобалластного клапана (справа)

Вывод, который можно сделать из вышеизложенного, прост: если в откачиваемом воздухе практически нет паров жидкости — насос можно использовать и без газобалласта. Но если в перекачиваемом воздухе есть даже небольшое количество водяного пара — использование газобалласта строго рекомендуется. 

Есть два существенных момента, на которые стоит обратить внимание. В главе о газобалласте все рассуждения строились на двух предположениях: 1) давление в вакуумируемой линии всегда ниже атмосферного и 2) атмосферный воздух не содержит насыщенных паров жидкости. Рассмотрим их подробнее. 

Если атмосферный воздух содержит насыщенный пар, то использовать его без газобалласта бессмысленно. Прежде, чем вытолкнуть воздух в атмосферу, насос должен его сжать хотя бы немного. Если балластный воздух содержит насыщенный пар, то именно этот пар и сконденсируется в жидкость. К счастью, концентрация пара в воздухе технических помещений очень редко достигает высоких значений.

Отдельно стоит остановиться на давлении в вакуумируемой линии. В отличие от поршневых насосов, пластинчато-роторные агрегаты всегда очень сильно сжимают откачиваемый воздух. Если в поршневом насосе выпускной клапан открывается сразу, как только давление в цилиндре превышает атмосферное, то у пластинчато-роторных насосов порция воздуха должна сначала дойти до того места, где выпускной клапан расположен. Если на вход в пластинчато-роторный насос поступает воздух с давлением, близким к атмосферному, то по мере продвижения по рабочей камере он будет сжат до нескольких атмосфер, прежде, чем «дойдет» до выпускного клапана и выйдет из насоса. И именно в этот момент из атмосферного воздуха может выпасть конденсат. И никакой газобалластный клапан от этого не защитит. Пластинчато-роторные насосы могут некоторое время работать с атмосферным давлением на входе — откачиваемый воздух сильно нагревается при сжатии, и его «точка росы» значительно уходит вверх. Кроме того, выпавший в начале работы конденсат сразу испарится, как только в вакуумируемой линии будет создано достаточно низкое давление. Но на длительное время пластинчато-роторные насосы стоит включать лишь в режиме достижения и поддержки вакуума.