Bagaimana cara kerja pompa Roots?
Prinsip desain pompa Roots sudah ditemukan pada tahun 1848 oleh Isaiah Davies, tetapi 20 tahun kemudian diimplementasikan secara praktis oleh orang Amerika Francis dan Philander Roots. Awalnya, pompa tersebut digunakan sebagai blower untuk mesin pembakaran. Kemudian, dengan membalikkan pengaturan penggerak, prinsip ini digunakan dalam meteran gas. Hanya sejak tahun 1954 prinsip ini digunakan dalam teknik vakum. Pompa roots digunakan dalam kombinasi pompa bersama dengan pompa cadangan (pompa rotary vane atau pompa kering) dan memperluas kisaran pengoperasiannya hingga ke kisaran vakum sedang. Dengan pompa Roots dua tahap, ini mencakup kisaran vakum tinggi. Prinsip pengoperasian pompa Roots memungkinkan perakitan unit dengan kecepatan pemompaan yang sangat tinggi (lebih dari 100.000 m3/jam) yang sering kali lebih ekonomis untuk dioperasikan daripada pompa ejektor uap yang berjalan dalam kisaran pengoperasian yang sama.
Prinsip pengoperasian pompa Roots
Pompa vakum Roots (lihat Gbr. 2,17) adalah jenis pompa perpindahan positif putar di mana dua impeller berbentuk simetris berputar di dalam casing pompa melewati satu sama lain dalam jarak dekat. Kedua rotor memiliki penampang yang mirip dengan bentuk 8 dan disinkronkan oleh roda gigi bergigi. Jarak antara rotor dan dinding casing serta antara rotor itu sendiri hanya sepersepuluh milimeter. Untuk alasan ini, pompa Roots dapat dioperasikan pada kecepatan tinggi tanpa aus mekanis. Berbeda dengan rotary vane dan pompa kering, pompa Roots tidak disegel oli, sehingga kebocoran internal pompa kompresi kering oleh desain mengakibatkan fakta bahwa rasio kompresi hanya dapat dicapai dalam kisaran 10 - 100. Kebocoran internal pompa Roots, dan juga pompa kompresi kering lainnya untuk masalah ini, terutama didasarkan pada fakta bahwa karena prinsip pengoperasian area permukaan tertentu dari ruang pompa ditetapkan ke sisi pengisapan dan sisi kompresi pompa secara bergantian. Selama fase kompresi, area permukaan ini (rotor dan casing) dimuat dengan gas (lapisan batas); selama fase pengisapan, gas ini dilepaskan. Ketebalan lapisan gas yang bergerak bergantung pada jarak antara kedua rotor dan antara rotor dan dinding casing. Karena kondisi termal yang relatif kompleks di dalam pompa Roots, pertimbangan tidak dapat didasarkan pada kondisi dingin. Jarak terendah dan aliran balik terendah dapat dicapai pada tekanan pengoperasian sebesar 1 mbar. Selanjutnya, rasio kompresi tertinggi dapat dicapai di wilayah ini, tetapi kisaran tekanan ini juga paling penting mengingat kontak antara rotor dan casing.
Gambar 2.17 Bagian penampang skematis pompa Roots
- Flensa saluran masuk
- Rotor
- Ruang
- Flensa pembuangan
- Casing
Tonton video di bawah ini untuk melihat animasi pemompaan pompa roots dalam tindakan
RUVAC - The dry compressor roots principle
Jumlah karakteristik pompa roots
Jumlah gas Q eff yang dipompa secara efektif oleh pompa Roots dihitung dari jumlah gas Qth yang dipompa secara teoritis dan kebocoran internal QiR (sebagai jumlah gas yang hilang) sebagai:
(2,5)
Berikut ini berlaku untuk jumlah gas yang dipadatkan secara teoritis:
(2,6)
di mana pa adalah tekanan masuk dan Sth adalah kecepatan pemompaan teoritis. Ini adalah produk dari volume pemompaan VS dan kecepatan n:
(2,7)
Demikian pula, kebocoran internal QiR dihitung sebagai:
(2,8)
di mana pV adalah tekanan vakum awal (tekanan di sisi vakum awal) dan SiR adalah kecepatan pemompaan "reflow" (teoritis) dengan
(2,9)
yakni produk dari kecepatan n dan volume kebocoran internal ViR.
Efisiensi volumetrik pompa Roots diberikan oleh (2,10)
(2,10)
Dengan menggunakan persamaan 2,5, 2,6, 2,7 dan 2,8, kita memperoleh (2,11)
(2,11)
Saat menentukan kompresi pv /pa sebagai k yang diperoleh
(2.11a)
Kompresi maksimum tercapai pada throughput nol (lihat PNEUROP dan DIN 28 426, Bagian 2). Kompresi ini ditetapkan sebagai k0: (2,12)
(2,12)
k0 adalah kuantitas karakteristik untuk pompa Roots yang biasanya dinyatakan sebagai fungsi tekanan vakum awal pV (lihat Gbr. 2,18).
k0 juga tergantung (sedikit) pada jenis gas.
2.18 Kompresi maksimum k0 dari pompa Roots RUVAC WA 2001 sebagai fungsi dari tekanan vakum awal pv
Untuk efisiensi pompa Roots, persamaan yang berlaku secara umum berlaku: (2,13)
(2,13)
Biasanya pompa Roots akan dioperasikan dalam hubungan dengan pompa vakum kasar hilir dengan kecepatan pemompaan nominal SV. Persamaan Kontinuitas memberikan: (2,14)
(2,14)
Dari hal ini (2,15)
(2,15)
Rasio Sth /SV (kecepatan pemompaan teoritis pompa Roots / kecepatan pemompaan pompa cadangan) disebut dengan gradasi kth. Dari (2,15) satu memperoleh (2,16)
(2,16)
Persamaan (2,16) menyiratkan bahwa kompresi k yang dapat dicapai dengan pompa Roots harus selalu kurang dari grading kth antara pompa Roots dan pompa pendukung karena efisiensi volumetrik selalu < 1. Saat menggabungkan persamaan (2,13) dan (2,16), ekspresi yang dikenal dengan baik (2,17) diperoleh untuk efisiensi
(2,17)
Kuantitas karakteristik yang ditemukan dalam persamaan 2,17 hanya untuk kombinasi pompa Roots dan pompa pendukung, yaitu kompresi maksimum k0 dari pompa Roots dan gradasi kth antara pompa Roots dan pompa pendukung.
Dengan bantuan persamaan di atas, kurva kecepatan pemompaan dari kombinasi pompa Roots dan pompa cadangan tertentu dapat dihitung. Untuk itu, Anda harus mengetahui hal-hal berikut:
a) kecepatan pemompaan teoritis pompa Roots: Sth
b) maksimum kompresi sebagai fungsi tekanan vakum depan: k0 (pV)
c) karakteristik kecepatan pemompaan pompa cadangan SV (pV)
Cara perhitungan dilakukan dapat dilihat pada Tabel 2,3 yang memberikan data untuk kombinasi pompa Roots RUVAC WA 2001 / E 250 (pompa plunger putar satu tahap, dioperasikan tanpa ballast gas).
Tabel 2,3 Nilai yang diambil dari dua kolom kanan memberikan kurva kecepatan pemompaan titik demi titik untuk kombinasi WA 2001/E250 (lihat Gbr. 2,19, kurva teratas)
Dalam hal ini, berikut ini diambil untuk Sth:
Metode yang dijelaskan di atas juga dapat diterapkan pada pengaturan yang terdiri dari pompa putar sebagai pompa cadangan dan beberapa pompa Roots yang dihubungkan secara seri, misalnya. Awalnya, salah satu menentukan - sesuai dengan metode iterasi - karakteristik pemompaan pompa cadangan ditambah pompa Roots pertama dan kemudian mempertimbangkan kombinasi ini sebagai pompa cadangan untuk pompa Roots kedua dan seterusnya. Tentu saja, kecepatan pemompaan teoritis dari semua pompa dalam pengaturan harus diketahui dan kompresi pada hasil nol k0 sebagai fungsi tekanan cadangan juga harus diketahui. Seperti disebutkan sebelumnya, grading mana yang paling cocok bergantung pada proses vakum. Mungkin bermanfaat bila pompa cadangan dan pompa Roots memiliki kecepatan pemompaan yang sama dalam kisaran vakum kasar.
Persyaratan daya pompa roots
Kompresi pada pompa Roots dilakukan melalui kompresi eksternal dan disebut sebagai kompresi isokorik. Pengalaman menunjukkan bahwa persamaan berikut berlangsung sekitar:
(2,18)
Untuk menentukan total daya (yang disebut output poros) pompa, kehilangan daya mekanis NV (misalnya pada seal bantalan) harus dipertimbangkan: (2,19)
(2,19)
Kehilangan daya yang dirangkum dalam NV adalah - sebagaimana ditunjukkan oleh pengalaman - kira-kira proporsional terhadap Sth, yaitu:
(2,20)
Tergantung pada jenis pompa dan desainnya, nilai rentang konstan antara 0,5 dan 2 Wh / m3.
Oleh karena itu, total daya adalah:
Persamaan nilai numerik yang sesuai yang berguna untuk perhitungan adalah:
(2,21)
dengan pv, pa dalam mbar, Sth dalam m3 / jam dan konstan "const." antara 18 dan 72 mbar.
Rating beban pompa roots
Jumlah daya yang ditarik oleh pompa menentukan suhunya. Jika suhu meningkat di atas tingkat tertentu, yang ditentukan oleh perbedaan tekanan maksimum yang diizinkan pV - pa, ada bahaya rotor dapat macet di dalam casing karena ekspansi termalnya. Perbedaan tekanan maksimum yang diizinkan Δp maksimal dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut ini: tekanan kompresi atau vakum awal pV, kecepatan pemompaan pompa cadangan SV, kecepatan pompa Roots n, gradasi kth dan eksponen adiabatik κ dari gas yang dipadatkan. Δpmax meningkat saat pV dan SV meningkat dan menurun saat n dan kth meningkat. Oleh karena itu, perbedaan maksimum antara tekanan vakum awal dan tekanan isap, pV -pa harus - selama pengoperasian berkelanjutan - tidak melebihi nilai tertentu tergantung pada jenis pompa. Nilai-nilai tersebut berada dalam kisaran antara 130 dan 50 mbar. Namun, perbedaan tekanan maksimal yang diperbolehkan untuk pengoperasian berkelanjutan dapat terlampaui dalam waktu singkat. Untuk konstruksi khusus, misalnya pendingin gas, perbedaan tekanan yang tinggi juga diperbolehkan selama pengoperasian berkelanjutan.
Jenis motor yang digunakan dengan pompa roots
Motor standar yang dipasang flensa digunakan sebagai penggerak. Feedthrough poros disegel oleh dua seal poros radial berlapis oli yang berjalan pada bushing tahan aus untuk melindungi poros penggerak. Motor flensa dengan kelas perlindungan, tegangan, atau frekuensi apa pun dapat digunakan.
Kebocoran integral versi ini adalah < 10 -4 mbar · l · s -1.
Dalam kasus persyaratan kebocoran yang lebih baik < 10 -5 mbar · l · s -1, pompa Roots dilengkapi dengan motor kaleng. Rotor duduk dalam vakum pada poros penggerak pompa dan dipisahkan dari stator oleh tabung non-magnetik yang kedap vakum. Kumparan stator didinginkan oleh kipas yang memiliki motor penggerak sendiri. Oleh karena itu, seal poros yang mungkin aus tidak lagi diperlukan. Penggunaan pompa Roots yang dilengkapi dengan motor kaleng sangat disarankan saat memompa gas dan uap yang sangat murni, beracun, atau radioaktif.
Mempertahankan perbedaan tekanan yang diizinkan
Untuk pompa Roots standar, langkah-langkah harus diperkenalkan untuk memastikan bahwa perbedaan tekanan maksimum yang diizinkan antara saluran masuk dan saluran keluar tidak terlampaui karena keterbatasan desain. Hal ini dilakukan baik dengan sakelar tekanan, yang memutus pompa Roots masuk dan keluar tergantung pada tekanan masuk, atau dengan menggunakan perbedaan tekanan atau katup overflow di bypass pompa Roots (Gbr. 2,20 dan 2,21). Penggunaan katup overflow pada bypass pompa Roots adalah solusi yang lebih baik dan lebih andal. Berat dan katup bermuatan pegas diatur ke perbedaan tekanan maksimum yang diizinkan dari pompa tertentu. Hal ini memastikan bahwa pompa Roots tidak kelebihan beban dan dapat dioperasikan dalam kisaran tekanan apa pun. Dalam praktiknya, ini berarti pompa Roots dapat dinyalakan, bersama dengan pompa pendukung, pada tekanan atmosfer. Dalam proses ini, peningkatan tekanan tidak akan berdampak negatif pada pengoperasian gabungan, yaitu pompa Roots tidak dimatikan dalam kondisi tersebut.
Gambar 2.20 Bagian penampang pompa Roots dengan saluran bypass
Gambar 2.21 Diagram vakum - Pompa Roots dengan saluran bypass dan pompa cadangan terintegrasi
Pendinginan awal
Dalam kasus pompa Roots dengan pendinginan pra-penerimaan (Gbr. 2,22), proses kompresi pada dasarnya sama dengan pompa Roots normal. Karena perbedaan tekanan yang lebih besar diperbolehkan, lebih banyak daya yang dipasang diperlukan, yang pada kecepatan tertentu dan perbedaan tekanan antara saluran masuk dan saluran keluar secara langsung proporsional dan terdiri dari pekerjaan teoritis yang dilakukan pada kompresi dan berbagai kehilangan daya. Proses kompresi berakhir secara normal setelah membuka ruang pemompaan ke arah port pembuangan. Pada saat ini, gas yang dipanaskan pada tekanan yang lebih tinggi mengalir ke dalam ruang pemompaan dan mengompresi volume gas yang diangkut. Proses kompresi ini dilakukan terlebih dahulu saat pendinginan pra-penerimaan. Sebelum rotor membuka ruang pemompaan ke arah port pembuangan, gas terkompresi dan dingin mengalir ke dalam ruang pemompaan melalui saluran pra-pengisapan. Terakhir, rotor mengeluarkan media yang dipadatkan melalui port pembuangan. Gas yang didinginkan, yang dalam kasus kompresi satu tahap diambil dari atmosfer dan dimasukkan dari pendingin pra-pengisapan, dan yang dalam kasus sistem pompa multi-tahap diambil dari pendingin gas hilir, melakukan pra-kompresi dan menghilangkan panas kompresi dengan "pendinginan internal" pada saat terjadi.
Gambar 2,22 Diagram pompa Roots dengan pendinginan pra-penerimaan
- Saluran masuk
- Port pembuangan
- Pendingin gas
- Aliran gas dingin
Dasar-dasar Teknologi Vakum
Unduh eBook "Dasar-Dasar Teknologi Vakum" kami untuk menemukan dasar-dasar dan proses pompa vakum.
Referensi
- Simbol vakum
- Glosarium perangkat
- Referensi dan sumber
Simbol vakum
Simbol vakum
Glosarium simbol yang umum digunakan dalam diagram teknologi vakum sebagai representasi visual jenis pompa dan komponen dalam sistem pemompaan
Glosarium perangkat
Glosarium perangkat
Gambaran umum tentang unit pengukuran yang digunakan dalam teknologi vakum dan apa arti simbolnya, serta setara modern dari unit historis
Referensi dan sumber
Referensi dan sumber
Referensi, sumber, dan bacaan lebih lanjut terkait pengetahuan dasar tentang teknologi vakum
Simbol vakum
Glosarium simbol yang umum digunakan dalam diagram teknologi vakum sebagai representasi visual jenis pompa dan komponen dalam sistem pemompaan
Glosarium perangkat
Gambaran umum tentang unit pengukuran yang digunakan dalam teknologi vakum dan apa arti simbolnya, serta setara modern dari unit historis
Referensi dan sumber
Referensi, sumber, dan bacaan lebih lanjut terkait pengetahuan dasar tentang teknologi vakum
