ปั๊ม Roots ทํางานอย่างไร
หลักการออกแบบของปั๊ม Roots ถูกคิดค้นขึ้นแล้วในปี 1848 โดย Isaiah Davies แต่ก็เป็นเวลา 20 ปีต่อมาก่อนที่จะนําไปใช้ในทางปฏิบัติโดย Francis และ Philander Roots ชาวอเมริกัน ในตอนแรก ปั๊มดังกล่าวถูกใช้เป็นโบลเวอร์สําหรับมอเตอร์แบบเผาไหม้ ต่อมา ด้วยการผกผันการจัดเรียงชุดขับ หลักการนี้ถูกนํามาใช้ในมิเตอร์ก๊าซ หลักการนี้ใช้ในวิศวกรรมสุญญากาศมาตั้งแต่ปี 1954 เท่านั้น ปั๊ม Roots ใช้ในการผสมผสานปั๊มเข้ากับปั๊มสํารอง (ปั๊มใบพัดโรตารี่หรือปั๊มแห้ง) และขยายช่วงการทํางานให้ครอบคลุมถึงช่วงสุญญากาศปานกลาง ด้วยปั๊ม Roots สองจังหวะ จะขยายไปสู่ช่วงสุญญากาศสูง หลักการทํางานของปั๊ม Roots ช่วยให้สามารถประกอบหน่วยที่มีความเร็วในการปั๊มสูงมาก (มากกว่า 100,000 m3/h) ซึ่งมักจะประหยัดกว่าปั๊มไอน้ําที่ทํางานในช่วงการทํางานเดียวกัน
หลักการทํางานของปั๊ม Roots
A ปั๊มสุญญากาศ Roots (ดูรูปที่ 2.17) เป็นปั๊มแบบโรตารี่ปริมาตรเข้าแทนที่แน่นอนที่ใบพัดสองตัวที่มีรูปทรงสมมาตรหมุนภายในตัวเรือนปั๊มใกล้เคียงกัน โรเตอร์สองตัวมีหน้าตัดคล้ายกับรูปทรงของรูปที่ 8 โดยประมาณ และซิงโครไนซ์ด้วยเฟืองเฟือง ระยะห่างระหว่างโรเตอร์และผนังตัวเรือน รวมถึงระหว่างโรเตอร์เองมีเพียงไม่กี่ส่วนสิบของมิลลิเมตรเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ ปั๊ม Roots อาจทํางานที่ความเร็วสูงโดยไม่มีการสึกหรอเชิงกล ตรงกันข้ามกับปั๊มใบพัดโรตารี่และปั๊มแห้ง ปั๊ม Roots ไม่ได้ซีลด้วยน้ํามัน ดังนั้นการรั่วไหลภายในของปั๊มอัดแห้งตามการออกแบบจึงส่งผลให้สามารถบรรลุอัตราการอัดได้ในช่วง 10 - 100 เท่านั้น การรั่วไหลภายในของปั๊ม Roots และปั๊มบีบอัดแบบแห้งอื่นๆ สําหรับเรื่องนั้น ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าเนื่องจากหลักการทํางาน พื้นที่ผิวบางส่วนของห้องปั๊มจะถูกกําหนดให้กับด้านไอดีและด้านการบีบอัดของปั๊มในรูปแบบสลับกัน ในระหว่างระยะการบีบอัด พื้นที่ผิวหน้าสัมผัสเหล่านี้ (โรเตอร์และตัวเรือน) จะมีก๊าซปล่อยออกมา (ชั้นขอบเขต) ในระหว่างระยะการดูดก๊าซนี้จะปล่อยออกมา ความหนาของชั้นก๊าซที่เคลื่อนที่ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างโรเตอร์สองตัวและระหว่างโรเตอร์กับผนังตัวเรือน เนื่องจากสภาวะความร้อนที่ค่อนข้างซับซ้อนภายในปั๊ม Roots จึงไม่สามารถพิจารณาจากสถานะเย็นได้ ระยะห่างที่เล็กที่สุดและการไหลย้อนกลับที่ต่ําที่สุดจะเกิดขึ้นที่แรงดันในการทํางานประมาณ 1 mbar จากนั้นจึงสามารถบรรลุอัตราส่วนการบีบอัดสูงสุดในพื้นที่นี้ได้ แต่ช่วงแรงดันนี้ยังมีความสําคัญมากที่สุดเมื่อพิจารณาถึงการสัมผัสระหว่างโรเตอร์และตัวเรือน
รูปภาพ 2.17 ภาพตัดขวางแบบแผนผังของปั๊ม Roots
- หน้าแปลนไอดี
- โรเตอร์
- ห้อง
- หน้าแปลนไอเสีย
- ตัวเรือน
ชมวิดีโอด้านล่างเพื่อดูภาพเคลื่อนไหวการปั๊มของปั๊ม Roots ในการทํางาน
RUVAC - The dry compressor roots principle
ปริมาณเฉพาะของปั๊ม Roots
ปริมาณ Q eff ของก๊าซที่ปั๊ม Roots ปั๊มจะคํานวณจากปริมาณ Qth ของก๊าซที่ปั๊มตามทฤษฎีและการรั่วไหลภายใน QiR (เป็นปริมาณก๊าซที่สูญเสียไป) เป็น:
(2.5)
ข้อมูลต่อไปนี้ใช้กับปริมาณก๊าซที่ปั๊มตามทฤษฎี:
(2.6)
โดยที่ pa คือแรงดันขาเข้า และ Sth คือความเร็วในการปั๊มตามทฤษฎี ซึ่งจะเป็นผลของปริมาตรการปั๊ม VS และความเร็ว n:
(2.7)
ในทํานองเดียวกัน การรั่วไหลภายใน QiR จะถูกคํานวณเป็น:
(2.8)
โดยที่ pV คือความดันสุญญากาศปลายทาง (ความดันที่ด้านสุญญากาศปลายทาง) และ SiR คือความเร็วปั๊ม "ไหลย้อนกลับ" (ที่คิด) ที่มี
(2.9)
กล่าวคือ ผลของความเร็ว n และปริมาตรการรั่วไหลภายใน ViR
ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรของปั๊มโรตารี่จะระบุโดย (2.10)
(2.10)
โดยการใช้สมการ 2.5, 2.6, 2.7 และ 2.8 จะได้ (2.11)
(2.11)
เมื่อกําหนดการบีบอัด pv /pa เป็น k หนึ่งได้รับ
(2.11a)
การบีบอัดสูงสุดจะเกิดขึ้นที่อัตราการไหลเป็นศูนย์ (ดู PNEUROP และ DIN 28 426, ส่วนที่ 2) โดยกําหนดเป็น k0: (2.12)
(2.12)
k0 เป็นตัวเลขลักษณะเฉพาะของปั๊ม Roots ซึ่งโดยปกติจะระบุเป็นฟังก์ชันของแรงดันสุญญากาศปลายทาง pV (ดูรูปที่ 2.18).
k0 ยังขึ้นอยู่กับประเภทของก๊าซอีกด้วย (เล็กน้อย)
2.18 การบีบอัดสูงสุด k0 ของปั๊ม Roots RUVAC WA 2001 เป็นฟังก์ชันของแรงดันสุญญากาศเบื้องต้น pv
สําหรับประสิทธิภาพของปั๊ม Roots สมการทั่วไปที่ใช้ได้คือ (2.13)
(2.13)
โดยปกติแล้ว ปั๊ม Roots จะทํางานร่วมกับปั๊มสุญญากาศหยาบปลายทางที่มีความเร็วในการปั๊มที่กําหนด SV สมการความต่อเนื่องจะให้: (2.14)
(2.14)
จากนั้น (2.15)
(2.15)
อัตราส่วน Sth /SV (ความเร็วในการปั๊มตามทฤษฎีของปั๊ม Roots / ความเร็วในการปั๊มของปั๊มรอง) เรียกว่าการลดระดับ kth จาก (2.15) จะได้ (2.16)
(2.16)
สมการ (2.16) หมายความว่าการบีบอัด k ที่บรรลุได้ด้วยปั๊ม Roots ต้องน้อยกว่า kth ระหว่างปั๊ม Roots และปั๊มรองเสมอ เนื่องจากประสิทธิภาพเชิงปริมาตร < 1 เสมอ เมื่อรวมสมการ (2.13) และ (2.16) จะได้การแสดงออกที่รู้จักกันดีสําหรับประสิทธิภาพ (2.17)
(2.17)
ปริมาณลักษณะเฉพาะที่พบในสมการ 2.17 ใช้เฉพาะกับการผสมผสานระหว่างปั๊มโรตารี่และปั๊มรอง กล่าวคือ การบีบอัดสูงสุด k0 ของปั๊มโรตารี่และการลดระดับ kth ระหว่างปั๊มโรตารี่และปั๊มรอง
ด้วยความช่วยเหลือของสมการข้างต้น สามารถคํานวณเส้นโค้งความเร็วการปั๊มของปั๊มโรตารี่และปั๊มสํารองร่วมกันได้ โดยต้องทราบข้อมูลต่อไปนี้:
ก) ความเร็วในการปั๊มตามทฤษฎีของปั๊ม Roots: Sth
b) สูงสุด การบีบอัดเป็นฟังก์ชันของแรงดันสุญญากาศเบื้องต้น: k0 (pV)
c) คุณลักษณะความเร็วในการปั๊มของปั๊มสํารอง SV (pV)
วิธีการคํานวณสามารถดูได้ในตาราง 2.3 ที่ให้ข้อมูลสําหรับการผสมผสานของปั๊ม Roots RUVAC WA 2001 / E 250 (ปั๊มลูกสูบโรตารี่จังหวะเดียวที่ทํางานโดยไม่มีบัลลาสต์ก๊าซ)
ตาราง 2.3 ค่าที่นํามาจากคอลัมน์ด้านขวาสองคอลัมน์จะให้เส้นโค้งความเร็วในการปั๊มทีละจุดสําหรับชุดอุปกรณ์ WA 2001/E250 (ดูรูปที่ 2.19, เส้นโค้งบนสุด)
ในที่นี้ จะใช้สิ่งต่อไปนี้สําหรับ Sth:
วิธีการที่สรุปไว้ข้างต้นยังสามารถนําไปใช้กับการจัดเรียงที่ประกอบด้วยปั๊มโรตารี่เป็นปั๊มสํารองและปั๊มโรตารี่หลายตัวที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม เป็นต้น ในขั้นแรก จะพิจารณาลักษณะการปั๊มของปั๊มสํารองบวกปั๊ม Roots ตัวแรก และพิจารณาการผสมผสานนี้เป็นปั๊มสํารองสําหรับปั๊ม Roots ตัวที่สอง และอื่นๆ แน่นอนว่าจําเป็นต้องทราบความเร็วในการปั๊มตามทฤษฎีของปั๊มทั้งหมดของการจัดเรียง และต้องทราบถึงการบีบอัดที่อัตราการไหลเป็นศูนย์ k0 เป็นฟังก์ชันของแรงดันสํารองด้วย ตามที่ได้กล่าวไว้แล้ว เกรดที่เหมาะสมที่สุดจะขึ้นอยู่กับกระบวนการสุญญากาศ อาจเป็นข้อได้เปรียบเมื่อปั๊มสํารองและปั๊ม Roots ทั้งสองมีความเร็วในการปั๊มเท่ากันในช่วงสุญญากาศแบบหยาบ
ความต้องการกําลังไฟฟ้าของปั๊ม Roots
การบีบอัดในปั๊ม Roots จะดําเนินการโดยการบีบอัดภายนอกและเรียกว่าการบีบอัดแบบไอโซคอริก ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าสมการต่อไปนี้มีค่าประมาณ:
(2.18)
ในการหากําลังทั้งหมด (ที่เรียกว่าเอาท์พุทเพลา) ของปั๊ม ต้องพิจารณาการสูญเสียกําลังเชิงกล NV (เช่น ในซีลตลับลูกปืน): (2.19)
(2.19)
การสูญเสียกําลังที่สรุปไว้ใน NV เป็น - ตามที่แสดงโดยประสบการณ์ - ประมาณสัดส่วนกับ Sth กล่าวคือ:
(2.20)
ค่าของช่วงคงที่ระหว่าง 0.5 และ 2 Wh / m3 ขึ้นอยู่กับประเภทของปั๊มและการออกแบบของปั๊ม
ดังนั้นกําลังโดยรวมคือ:
สมการค่าตัวเลขที่เกี่ยวข้องซึ่งมีประโยชน์สําหรับการคํานวณคือ:
(2.21)
โดยที่ pv, pa ในหน่วย mbar, Sth ในหน่วย m3 / h และค่า "คงที่" อยู่ระหว่าง 18 และ 72 mbar
พิกัดโหลดของปั๊ม Roots
ปริมาณพลังงานที่ปั๊มใช้จะกําหนดอุณหภูมิของปั๊ม หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นสูงกว่าระดับหนึ่งที่กําหนดโดยความแตกต่างของแรงดันสูงสุดที่อนุญาต pV - pa มีความเสี่ยงที่โรเตอร์อาจเกาะติดในตัวเรือนเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อน ความแตกต่างของแรงดันสูงสุดที่ยอมรับได้ Δp สูงสุดได้รับอิทธิพลจากปัจจัยต่อไปนี้: สุญญากาศเบื้องต้นหรือแรงดันการบีบอัด pV ความเร็วในการปั๊มของปั๊มสํารอง SV ความเร็วของปั๊ม Roots n การลดระดับ kth และค่าเฉลี่ยอะเดียแบติก κ ของก๊าซที่ปั๊ม Δpmax เพิ่มขึ้นเมื่อ pV และ SV เพิ่มขึ้น และลดลงเมื่อ n และ kth เพิ่มขึ้น ดังนั้นความแตกต่างสูงสุดระหว่างแรงดันสุญญากาศปลายทางและแรงดันขาเข้า pV -pa ต้องไม่เกินค่าที่กําหนดระหว่างการทํางานอย่างต่อเนื่อง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทของปั๊ม ค่าดังกล่าวอยู่ในช่วงระหว่าง 130 ถึง 50 mbar อย่างไรก็ตาม อาจเกินความแตกต่างของแรงดันสูงสุดที่อนุญาตสําหรับการทํางานต่อเนื่องเป็นระยะเวลาสั้นๆ ในกรณีของการออกแบบพิเศษที่ใช้การระบายความร้อนด้วยก๊าซ เช่น ความแตกต่างของแรงดันสูงยังได้รับอนุญาตในระหว่างการทํางานต่อเนื่อง
ประเภทของมอเตอร์ที่ใช้กับปั๊ม Roots
มอเตอร์ติดตั้งหน้าแปลนมาตรฐานใช้เป็นตัวขับเคลื่อน ปลอกสูบเพลาถูกซีลด้วยซีลเพลารัศมีซีลน้ํามันสองตัวที่วิ่งบนบูชทนการสึกหรอเพื่อปกป้องเพลาขับ สามารถใช้มอเตอร์หน้าแปลนที่มีระดับการป้องกัน แรงดันไฟฟ้า หรือความถี่ใดๆ ก็ได้
ความหนาแน่นรวมของรุ่นนี้คือ < 10 -4 mbar · l · s -1
ในกรณีที่ต้องการการป้องกันการรั่วไหลที่ดีกว่า < 10 -5 mbar · l · s -1 ปั๊ม Roots จะติดตั้งมอเตอร์แบบกระป๋อง โรเตอร์ติดตั้งอยู่ในสุญญากาศบนเพลาขับของปั๊ม และแยกออกจากสเตเตอร์ด้วยท่อที่ไม่ใช่แม่เหล็กที่กันสุญญากาศ คอยล์สเตเตอร์ถูกระบายความร้อนโดยพัดลมที่มีมอเตอร์ขับของตัวเอง ดังนั้นจึงไม่จําเป็นต้องใช้ซีลเพลาที่อาจสึกหรอได้อีกต่อไป แนะนําให้ใช้ปั๊ม Roots ที่ติดตั้งมอเตอร์กระป๋องโดยเฉพาะเมื่อปั๊มก๊าซและไอระเหยที่มีความบริสุทธิ์สูง เป็นพิษ หรือกัมมันตรังสี
การรักษาความแตกต่างของแรงดันที่อนุญาต
ในกรณีของปั๊ม Roots มาตรฐาน ต้องมีการดําเนินมาตรการเพื่อให้แน่ใจว่าไม่เกินความแตกต่างของแรงดันสูงสุดที่อนุญาตระหว่างช่องทางเข้าและช่องทางออกเนื่องจากข้อจํากัดการออกแบบ ซึ่งทําได้โดยสวิตช์แรงดันซึ่งจะตัดปั๊ม Roots เข้าและออกโดยขึ้นอยู่กับแรงดันขาเข้า หรือโดยการใช้ความแตกต่างของแรงดันหรือวาล์วล้นในบายพาสของปั๊ม Roots (รูปที่ 2.20 และ 2.21) การใช้วาล์วล้นในบายพาสของปั๊ม Roots เป็นโซลูชันที่ดีกว่าและเชื่อถือได้มากขึ้น วาล์วที่มีน้ําหนักและสปริงโหลดจะถูกตั้งค่าตามความแตกต่างของแรงดันสูงสุดที่อนุญาตของปั๊มที่เจาะจง วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าปั๊ม Roots จะไม่โหลดเกิน และสามารถทํางานในช่วงแรงดันใดๆ ก็ได้ ในทางปฏิบัติ หมายความว่าสามารถเปิดสวิตช์ปั๊ม Roots พร้อมกับปั๊มสํารองที่แรงดันบรรยากาศได้ ในกระบวนการ แรงดันที่เพิ่มขึ้นจะไม่ส่งผลเสียต่อการทํางานร่วมกัน เช่น ปั๊ม Roots จะไม่ปิดในสถานการณ์ดังกล่าว
รูปภาพ 2.20 ส่วนตัดขวางของปั๊ม Roots ที่มีท่อบายพาส
รูปภาพ 2.21 แผนผังสุญญากาศ - ปั๊ม Roots ที่มีท่อบายพาสในตัวและปั๊มสํารอง
การทําความเย็นก่อนการนําเข้า
ในกรณีของปั๊ม Roots ที่มีการระบายความร้อนก่อนการนําเข้า (รูปที่ 2.22) โดยพื้นฐานแล้วกระบวนการบีบอัดจะเหมือนกับปั๊ม Roots ปกติ เนื่องจากความแตกต่างของแรงดันที่มากกว่านั้น จึงจําเป็นต้องใช้พลังงานที่ติดตั้งมากขึ้น ซึ่งที่ความเร็วที่กําหนดและความแตกต่างของแรงดันระหว่างพอร์ตทางเข้าและทางออกจะเป็นสัดส่วนโดยตรงและประกอบด้วยงานทางทฤษฎีที่ทําในการบีบอัดและการสูญเสียพลังงานต่างๆ กระบวนการบีบอัดจะสิ้นสุดลงตามปกติหลังจากเปิดห้องปั๊มในทิศทางของพอร์ตระบาย ในขณะนี้ ก๊าซที่อุ่นที่แรงดันสูงขึ้นจะไหลเข้าสู่ห้องปั๊มและบีบอัดปริมาตรของก๊าซที่ลําเลียง กระบวนการบีบอัดนี้จะดําเนินการล่วงหน้าในกรณีของการทําความเย็นก่อนการนําเข้า ก่อนที่โรเตอร์จะเปิดห้องปั๊มในทิศทางของพอร์ตระบาย ก๊าซที่อัดและเย็นจะไหลเข้าสู่ห้องปั๊มผ่านช่องทางเข้าล่วงหน้า ในขั้นสุดท้าย โรเตอร์จะปล่อยสารตัวกลางที่ปั๊มออกมาผ่านทางช่องปล่อย ก๊าซที่ถูกทําให้เย็นลงซึ่งในกรณีของการบีบอัดแบบจังหวะเดียวจะถูกนําออกจากบรรยากาศและนําเข้าจากเครื่องทําความเย็นก่อนเข้า และในกรณีของระบบปั๊มหลายจังหวะจะถูกนําออกจากเครื่องทําความเย็นก๊าซปลายทาง จะทําการบีบอัดล่วงหน้าและนําความร้อนจากการบีบอัดออกไปโดย "การระบายความร้อนภายใน" ในเวลาที่เกิดขึ้น
ภาพที่ 2.22 แผนภาพของปั๊ม Roots ที่มีการระบายความร้อนก่อนการนําเข้า
- ช่องทางเข้า
- ท่อระบายน้ํา
- เครื่องทําความเย็น
- การไหลของก๊าซเย็น
พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
ดาวน์โหลด eBook "พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ" เพื่อค้นพบข้อมูลสําคัญและกระบวนการของปั๊มสุญญากาศ
การอ้างอิง
- สัญลักษณ์สุญญากาศ
- คําจํากัดความ
- ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
สัญลักษณ์สุญญากาศ
สัญลักษณ์สุญญากาศ
อภิธานศัพท์ของสัญลักษณ์ที่ใช้กันทั่วไปในแผนผังเทคโนโลยีสุญญากาศเพื่อแสดงภาพประเภทปั๊มและชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบปั๊ม
คําจํากัดความ
คําจํากัดความ
ภาพรวมของหน่วยวัดที่ใช้ในเทคโนโลยีสุญญากาศและสัญลักษณ์ที่หมายถึงอะไร รวมถึงหน่วยวัดสมัยใหม่ที่เทียบเท่ากับหน่วยวัดในอดีต
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิง แหล่งข้อมูล และการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
สัญลักษณ์สุญญากาศ
อภิธานศัพท์ของสัญลักษณ์ที่ใช้กันทั่วไปในแผนผังเทคโนโลยีสุญญากาศเพื่อแสดงภาพประเภทปั๊มและชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบปั๊ม
คําจํากัดความ
ภาพรวมของหน่วยวัดที่ใช้ในเทคโนโลยีสุญญากาศและสัญลักษณ์ที่หมายถึงอะไร รวมถึงหน่วยวัดสมัยใหม่ที่เทียบเท่ากับหน่วยวัดในอดีต
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิง แหล่งข้อมูล และการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
