Оценка производительности вакуумных насосов

В этом разделе рассматриваются важные характеристики производительности вакуумных насосов, используемые при оценке отдельных типов и размеров. Фактический выбор насоса, рассматриваемый в отдельной статье, будет основываться на том, насколько эти характеристики соответствуют предполагаемому применению.

 

Основные критерии производительности включают всего три характеристики:

• Уровень вакуума, который можно создать.

• Скорость удаления воздуха.

• Требуемая мощность.

 

Несколько менее важными являются температурные эффекты и некоторые другие характеристики.

В целом, лучший насос для конкретной задачи – это тот, у которого наибольшая производительность при требуемом уровне вакуума, работающий в пределах приемлемого диапазона мощности.

 

Уровень вакуума – максимальный уровень вакуума, для которого рекомендуется использовать насос. Уровень выражается в мм ртутного столба или дюймах рт.ст. (что больше характерно для американской литературы) или мбар ( характерно для европейской литературы) и специфицируется для непрерывных или прерывных рабочих циклов.

 

С обозначением уровня вакуума часто обычно возникает путаница. Обычное атмосферное давление на нашей планете на уровне моря равняется 760 мм рт. ст. или 1000 мбар. Любое снижение давления ниже атмосферного и называется вакуумом. Путаница возникает оттого, что иногда вакуум указывают в значении абсолютного давления (какое давление осталось), а иногда в значении уменьшаемого давления (на сколько давление уменьшили).

Например, производитель насосов (обычно американский или азиатский) указывает уровень вакуума 660 мм рт. ст. Здесь имеется в виду уменьшаемое давление. Чтобы узнать какое давление в системе останется, требуется вычесть 660 из 760. Получаемое остаточное давление 100 мм.рт.ст. или 132 мбар. 

В других случаях производители (обычно европейские) указывают остаточное или абсолютное давление, например, 20 мбар. Чтобы понять насколько давление уменьшили вычтем из 1000 число 20 и получим 980 мбар - на столько уменьшится давление в системе.  

 

Далее в этой статье используется уменьшаемое давление. То есть 760 мм. рт. ст. теоретического вакуума - это то же самое, что 0 мм.рт.ст. абсолютного давления. 

 

Большинство вакуумных насосов не может достичь теоретического максимума вакуума (760 мм. рт. ст. на уровне моря) из-за внутренних утечек. Для возвратно-поступательного поршневого насоса, например, максимальный вакуум может составлять 710-725 мм. рт. ст. или 93-95% от максимального теоретического значения.

 

Внутренние утечки и объём пространства сжатия задают максимальное значение вакуума, который насос может создать. Для некоторых насосов, это также характеристика вакуума.

 

В других типах, однако, проблема состоит в рассеивании тепла. Для них максимальная характеристика вакуума может основываться на допустимом повышении температуры. Например, для хорошей износостойкости некоторых роторных насосов требуется максимальное повышение температуры корпуса 82°C у выпускного отверстия. Вакуумные характеристики зависят от такого повышения температуры. Они, вероятно, будет выше периодического, чем для непрерывного режима работы.

 

Вакуумная характеристика, приведенная для насоса, основана на работе при атмосферном давлении 760 мм ртутного столба. Работа в условиях, когда атмосферное давление будет ниже, приведет к снижению уровня вакуума, который может создавать насос. Скорректированная характеристика вакуума может определяться путем умножения фактического атмосферного давления на отношение номинального вакуума к стандартному атмосферному давлению:

 

 

Скорость удаления воздуха – В основном вакуумные насосы классифицируются в соответствии с их открытой производительностью, которая равна объему воздуха (выраженному в м3/час) при отсутствии вакуума или нагрузки от давления, действующих на насос.

Эффективность вакуумного насоса для удаления воздуха из закрытой системы задается его объемной эффективностью – показатель того, насколько близко насос соответствует передаче расчетного количества воздуха. Уравнение объемного КПД относительно вакуумных насосов применяется двумя различными способами:

 

• Истинный (или впускной) объемный КПД – Объем воздуха, выкачиваемого в течение заданного периода времени преобразуется в эквивалентный объем при температуре и абсолютном давлении на впуске.

 

• Атмосферный объемный КПД – Объем воздуха, выкачиваемого насосом, преобразуется в эквивалентный объем при стандартных условиях (760 мм рт.ст. и 20°C).

В любом случае объёмная производительность насоса – это общий объем, охватываемый при повторных движениях насосного элемента за один тот же период времени (обычно один оборот). В различных вакуумных насосах с одной и той же объемной производительностью именно от разницы объемных КПД зависит разница в производительности по свободному воздуху. Поскольку эти различия существуют, выбор насоса должен зависеть от производительности по свободному воздуху, а не от значения вытеснения.

 

Одним словом, скорость удаления воздуха – это мера производительности вакуумного насоса. А производительность стандартных приборов должна определяться по таблицам или кривым производителей для объема свободного воздуха в куб. фт/мин, подаваемого с номинальной скоростью для уровней вакуума в диапазоне от 0 мм рт.ст. (производительность в открытом состоянии) до максимальной характеристики вакуума. Производительность по свободному воздуху при различных скоростях для заданного вакуума также может быть включена в графики от производителей.

Как показано на изображениях 1 и 2, расчётная производительность любого насоса максимальна при 0 мм рт.ст. и будет быстро падать по мере увеличения уровня вакуума. Это отражает снижение как объемного КПД, так и объема воздуха, который можно закачать в насосную камеру.

Повторяем, основная характеристика объемных (поршневых) насосов – это уменьшение производительности по мере увеличения уровня вакуума. На изображении 1 это очень четко показано для поршневого насоса. Тот же принцип применяется для мембранных насосов.

 

 

 

 

 

На рис. 2, обозначение «одиночный блок» представляет собой однокамерный, одноступенчатый насос. Двойной одноступенчатый блок имеет две камеры, работающие параллельно. В двойном двухступенчатом блоке двойные камеры работают последовательно.

Напомним, что при разделении на ступени можно достичь более высокого уровня вакуума, потому что после первой ступени на вторую воздух поступает уже при отрицательном давлении. Это приводит к уменьшению абсолютного давления воздуха, захваченного в объёме пространства сжатия (пространство между поршнем и головкой цилиндра в момент полного сжатия). Но как видно из рис. 2, основная производительность двойного двухступенчатого блока меньше на 50 процентов по сравнению с двойным одноступенчатым насосом такого же размера.

 

Гидравлическая мощность в кВт – Были разработаны различные методы для оценки эффективности использования энергии с помощью вакуумного насоса. Большинство производителей вакуумных насосов составляют каталоги результатов своих испытаний, в том числе тормозной мощности (фактического значения в кВт) и значения в м3час от уровня вакуума. По таким источникам информации можно сделать довольно точные оценки потребности в мощности.

Например, относительная производительность различных насосов может быть получена путем расчета объема свободного воздуха в м3/час, выкачиваемого на один кВт мощности. Или входную мощность можно сравнить с передаваемой «гидравлической мощностью в кВт», которая пропорциональна произведению вакуума и скорости воздушного потока. Все сравнения должны проводиться при одном и том же определенном уровне вакуума, как правило, 510 мм рт.ст. или выше.

 

Требования к мощности привода – Приводной агрегат должен обеспечивать пиковую потребляемую мощность насоса. Другими словами, он должен быть достаточно мощным, чтобы обеспечить удовлетворительную работу при всех номинальных рабочих условиях. Это включает в себя обеспечение надлежащей энергии на преодоление трения и инерционных эффектов при запуске.

Требования к потребляемой мощности вакуумного насоса относительно низкие по сравнению с требованиями для воздушных компрессоров. Основная причина заключается в низких требованиях к сжатию. Объемный расход и перепад давления в системе значительно ниже, чем в компрессоре.

Когда насос работает под давлением, близком к атмосферному, массовый расход (в куб. фт/мин свободно нагнетаемого воздуха) самый высокий, а разность давлений между входом и выходом очень мала. Следовательно, объем работы, который должен быть добавлен на фунт воздуха, очень мал.

При более высоких уровнях вакуума объем работы, которую необходимо выполнить, увеличивается из-за большей разницы между входным и выходным давлением. Однако массовый расход постепенно падает. Общий объем работы на сжатие при этом остается очень малым.

 

Скорость привода – в дополнение к фактической тормозной мощности, необходимой для различных уровней вакуума, в каталогах обычно приводится скорость, необходимая для разработки различных номинальных производительностей.

 

На производительность вакуумных насосов может существенно влиять нагревание самого насоса. При более высоких уровнях вакуума поток воздушный поток через насос очень мал. Больший объем воздуха уже откачан. Следовательно, передача внутреннего тепла этому оставшемуся воздуху мала.

Большая часть тепла, создаваемая при трении, должна поглощаться и рассеиваться насосом. Поскольку некоторые насосы создают тепло быстрее, чем оно может быть рассеяно, это приводит к постепенному повышению температуры насоса, значительно сокращая срок его службы.

Одним из решений является тщательное рассмотрение характеристик насоса. Например, насос для непрерывной работы должен иметь максимальную вакуумную характеристику. С другой стороны, насос, работающий в прерывистом режиме, может быть предназначен для высокого уровня вакуума, если период отключения достаточен для эффективного охлаждения насоса. Осложнения могут возникнуть, если максимальный период включения значительно превышает периода охлаждения.

Всякий раз, когда это возможно, вакуумные насосы должны работать с переменными циклами нагрузки/разгрузки, а не в циклах включения/отключения. Если насос не нагружен, воздух под атмосферным давлением, всасываемый им, быстро переносит накопленное тепло. Тем не менее, когда насос отключается с вакуумом внутри, потери тепла происходят гораздо медленнее, поскольку это происходит только за счет внешней стороны корпуса.