Hoe werken dampstraalvacuümpompen?
Een inleiding tot vloeistofaandrijfpompen
Er wordt een onderscheid gemaakt tussen ejectorpompen zoals waterstraalpompen (17 mbar < p < 1013 mbar), dampejectorvacuümpompen (10 -3 mbar < p < 10 -1 mbar) en diffusiepompen (p < 10 -3 mbar). Ejectorvacuümpompen worden voornamelijk gebruikt voor de productie van middenvacuüm. Diffusiepompen produceren hoog- en ultrahoogvacuüm. Beide typen werken met een snel stromende pompvloeistof in damp- of vloeistofvorm (waterstraal en waterdamp, olie- of kwikdamp). Het pompmechanisme van alle vloeistofpompen is in principe hetzelfde. De verpompte gasmoleculen worden uit het vat verwijderd en komen in de pompvloeistofstroom terecht die uitzet nadat ze door een mondstuk zijn gegaan. De moleculen van de pompvloeistofstroom worden door middel van stootimpulsen in de stroomrichting naar de gasmoleculen overgebracht. Hierdoor wordt het te verpompen gas naar een ruimte met een hogere druk verplaatst.
In vloeistofaandrijvende pompen ontstaan tijdens bedrijf overeenkomstige dampdrukken, afhankelijk van het type pompvloeistof en de temperatuur en het ontwerp van de spuitmond. Bij oliediffusiepompen kan dit in de kookkamer 1 mbar bedragen. De tegendruk in de pomp moet laag genoeg zijn om de damp te laten wegstromen. Om dit te garanderen, hebben dergelijke pompen overeenkomstige hulppompen nodig, meestal van het mechanische type. De stoomstraal kan niet in het vat komen, omdat hij condenseert aan de gekoelde buitenwanden van de pomp nadat hij door de spuitmond is uitgestoten.
Werkingsprincipe van vloeistofaandrijvende pompen
Wolfgang Gaede besefte als eerste dat gassen bij een relatief lage druk kunnen worden verpompt met behulp van een pompvloeistofstroom met een aanzienlijk hogere druk en dat de gasmoleculen daarom van een gebied met een lage totale druk naar een gebied met een hoge totale druk gaan. Deze schijnbaar paradoxale situatie ontwikkelt zich omdat de dampstroom aanvankelijk volledig gasvrij is, zodat de gassen uit een gebied met een hogere deeldruk van het gas (het vat) kunnen diffunderen naar een gebied met een lagere deeldruk van het gas (de dampstroom). Dit basisconcept van Gaede werd door Langmuir (1915) gebruikt bij de bouw van de eerste moderne diffusiepomp. De eerste diffusiepompen waren kwikdiffusiepompen van glas, later van metaal. In de jaren zestig werd kwik als medium bijna volledig vervangen door olie. Om een zo hoog mogelijke stoomstroomsnelheid te verkrijgen, liet hij de stoomstroom uit een mondstuk met supersonische snelheid stromen. De pompvloeistofdamp, die de dampstraal vormt, wordt gecondenseerd aan de gekoelde wand van de pompbehuizing, terwijl het getransporteerde gas verder wordt gecomprimeerd, gewoonlijk in een of meer opeenvolgende fasen, voordat het door de hulppomp wordt verwijderd. De compressieverhoudingen die met vloeistofpompen kunnen worden bereikt, zijn zeer hoog: als er een druk van 10 -9 mbar is bij de inlaatpoort van de vloeistofpomp en een tegendruk van 10 -2 mbar, wordt het verpompte gas gecomprimeerd met een factor 107!
Soorten vloeistofaandrijvende pompen
De einddruk van vloeistofaandrijvende pompen wordt beperkt door de waarde voor de deeldruk van de gebruikte vloeistof bij de bedrijfstemperatuur van de pomp. In de praktijk probeert men dit te verbeteren door baffles of koudevallen in te voeren. Dit zijn 'condensatoren' tussen de vloeistofaandrijvende pomp en de vacuümkamer, zodat de einddruk die in de vacuümkamer kan worden bereikt, nu alleen wordt beperkt door de deeldruk van de vloeistof bij de temperatuur van de baffle.
De verschillende typen vloeistofaandrijvende pompen onderscheiden zich in wezen door de dichtheid van de pompvloeistof bij de uitgang van de bovenste sproeier die naar de hoogvacuümzijde van de pomp wijst:
- Lage dampdichtheid: diffusiepompen, waaronder oliediffusiepompen en kwikdiffusiepompen
- Hoge dampdichtheid: dampstraalpompen, waaronder waterdamppompen, oliedampstraalpompen en kwikdampstraalpompen
- Gecombineerde oliediffusie-/dampstraalpompen
- Waterstraalpompen
Werkingsprincipe van oliedampejectorpompen
De pompwerking van een dampejectorfase wordt uitgelegd aan de hand van Fig. 2,46. De pompvloeistof komt onder hoge druk p1 in het mondstuk (1) terecht, dat als Laval-mondstuk is ontworpen. Daar wordt het geëxpandeerd tot de inlaatdruk p2. Bij deze expansie gaat de plotselinge verandering van energie gepaard met een toename van de snelheid. De daardoor versnelde pompvloeistofdampstraal stroomt door het menggedeelte (3), dat verbonden is met het te evacueren vat (4). Hier worden de uit het vat ontsnappende gasmoleculen met de stoomstraal meegesleept. Het mengsel, pompvloeistof damp – gas, komt nu in de diffusorsproeier terecht die als venturisproeier (2) is opgebouwd. Hier wordt het damp- en gasmengsel samengeperst tot de tegendruk p3 met gelijktijdige vermindering van de snelheid. De pompvloeistofdamp wordt vervolgens gecondenseerd aan de pompwanden, terwijl het meegevoerde gas door de hulppomp wordt afgevoerd.
Fig 2,46 Bediening van een stoomstraalpomp.
- Sproeier (Laval)
- Verstuiver (venturi)
- Mengkamer
- Aansluiting op de vacuümkamer
Oliedampejectorpompen zijn ideaal geschikt voor het verpompen van grotere hoeveelheden gas of damp in het drukbereik tussen 1 en 10 -3 mbar. De hogere dichtheid van de dampstroom in de mondstukken zorgt ervoor dat de diffusie van het verpompte gas in de dampstroom veel langzamer plaatsvindt dan bij diffusiepompen, zodat alleen de buitenste lagen van de dampstroom door het gas worden gepermeeerd. Bovendien is het oppervlak waarlangs de diffusie plaatsvindt veel kleiner door de speciale bouw van de sproeiers. De specifieke pompsnelheid van de dampejectorpompen is daarom kleiner dan die van de diffusiepompen. Omdat het verpompte gas in de buurt van de straal onder de aanzienlijk hogere inlaatdruk het verloop van de stromingsleidingen doorslaggevend beïnvloedt, worden alleen bij bepaalde inlaatdrukken optimale omstandigheden bereikt. Daarom blijft de pompsnelheid niet constant bij lage inlaatdrukken. Als gevolg van de hoge dampstroomsnelheid en -dichtheid kunnen oliedampejectorpompen gassen transporteren tegen een relatief hoge tegendruk. Hun kritieke tegendruk ligt bij enkele millibar. De oliedampejectorpompen die in de huidige vacuümtechnologie worden gebruikt, hebben over het algemeen een of meer diffusietrappen en meerdere daaropvolgende ejectortrappen. Het mondstuksysteem van de booster bestaat uit twee diffusietrappen en twee ejectortrappen in cascade (zie Afb. 2,47). De diffusiestappen zorgen voor de hoge pompsnelheid tussen 10 -4 en 10 -3 mbar (zie Fig. 2,48), de ejectorfasen, de hoge gasdoorvoer bij hoge druk (zie Afb. 2,49) en de hoge kritieke tegendruk. Ongevoeligheid voor stof en dampen opgelost in de pompvloeistof wordt bereikt door een ruime boiler en een groot pompvloeistofreservoir. Grote hoeveelheden onzuiverheden kunnen in de ketel worden opgevangen zonder dat de pompeigenschappen verslechteren.
Fig. 2,47 Schema van een oliestraalpomp (stuwpomp).
Fig. 2,48 Pompsnelheid van verschillende damppompen als functie van de inlaatdruk met betrekking tot een nominale pompsnelheid van 1000 l/s. Einde van het werkbereik van oliedampejectorpompen (A) en diffusiepompen (B)
Afb. 2,49 snelheid van verschillende damppompen (afgeleid van Afb. 2,48)
Waterstraalpompen en stoomejectoren
Tot de klasse van vloeistofpompen behoren niet alleen pompen die een snelstromende damp als pompvloeistof gebruiken, maar ook vloeistofstraalpompen. De eenvoudigste en goedkoopste vacuümpompen zijn waterstraalpompen. Net als bij een damppomp (zie afb. 2,46 of 2,51), wordt de vloeistofstroom eerst uit een mondstuk vrijgegeven en mengt zich dan door turbulentie met het verpompte gas in de mengkamer. Tot slot wordt de beweging van het water-gasmengsel vertraagd in een venturibuis. De uiteindelijke totale druk in een container die door een waterstraalpomp wordt gepompt, wordt bepaald door de dampdruk van het water en bedraagt bijvoorbeeld bij een watertemperatuur van 15 °C (59 °F) ongeveer 17 mbar.
Fig 2,46 Bediening van een stoomstraalpomp.
- Sproeier (Laval)
- Verstuiver (venturi)
- Mengkamer
- Aansluiting op de vacuümkamer
Fig 2,51 Schematische weergave van de werking van een stoomejectorpomp.
- Stoominlaat
- Sproeistuk
- Diffuser
- Menggedeelte
- Aansluiting op de vacuümkamer
In principe worden hogere pompsnelheden en lagere einddrukken geproduceerd door stoomejectorpompen. Het doorsnede door één trap wordt weergegeven in Afb. 2,51. De markeringen komen overeen met de markeringen in Fig. 2,46. In de praktijk worden meestal meerdere pompstadia in cascade gemonteerd. Voor laboratoriumwerk zijn tweetrapspompcombinaties geschikt die bestaan uit een stoomejectorstap en een waterstraalstap (achterstap), beide gemaakt van glas. De waterstraalvoorpompfase maakt werking zonder andere voorpompen mogelijk. Met behulp van een stoomstroom bij overdruk kan de vacuümkamer worden geëvacueerd tot een einddruk van ongeveer 3 mbar. Het condensaat uit de stoom wordt via de afvoeraansluiting afgevoerd. De waterstraalfase van deze pomp wordt gekoeld met water om de efficiëntie te verhogen. Stoomejectorpompen zijn bijzonder geschikt voor werkzaamheden in laboratoria, vooral als er zeer agressieve dampen moeten worden verpompt. Stoomejectorpompen, die werken bij een druk van enkele millibar, worden vooral aanbevolen voor het verpompen van laboratoriumdestillatieapparaten en soortgelijke installaties wanneer de druk van een eenvoudige waterstraalpomp onvoldoende is. In dit geval zou het gebruik van roterende pompen niet rendabel zijn.
Beperkingen van waterstraalpompen
Ondanks hun lage investeringskosten worden waterstraalpompen en stoomejectoren in de laboratoria steeds vaker vervangen door membraanpompen vanwege de milieuproblemen van het gebruik van water als pompvloeistof. In het water binnengedrongen oplosmiddel kan alleen door complexe reinigingsmethoden (destillatie) weer worden verwijderd.
Grondbeginselen van vacuümtechnologie
Download ons eBook 'Grondbeginselen van vacuümtechnologie' om de basisprincipes en processen van vacuümpompen te ontdekken.
Referenties
- Vacuümsymbolen
- Verklarende woordenlijst
- Referenties en bronnen
Vacuümsymbolen
Vacuümsymbolen
Een woordenlijst van symbolen die vaak worden gebruikt in vacuümtechnologieschema's als visuele weergave van pomptypen en onderdelen in pompsystemen
Verklarende woordenlijst
Verklarende woordenlijst
Een overzicht van de meeteenheden die in vacuümtechnologie worden gebruikt en wat de symbolen betekenen, evenals de moderne equivalenten van historische eenheden
Referenties en bronnen
Referenties en bronnen
Referenties, bronnen en verdere lectuur met betrekking tot de fundamentele kennis van vacuümtechnologie
Vacuümsymbolen
Een woordenlijst van symbolen die vaak worden gebruikt in vacuümtechnologieschema's als visuele weergave van pomptypen en onderdelen in pompsystemen
Verklarende woordenlijst
Een overzicht van de meeteenheden die in vacuümtechnologie worden gebruikt en wat de symbolen betekenen, evenals de moderne equivalenten van historische eenheden
Referenties en bronnen
Referenties, bronnen en verdere lectuur met betrekking tot de fundamentele kennis van vacuümtechnologie