ปั๊มสุญญากาศแบบไอน้ําทํางานอย่างไร
บทนําเกี่ยวกับปั๊มขับเคลื่อนของเหลว
มีการแยกความแตกต่างระหว่างปั๊มฉีดน้ํา เช่น ปั๊มฉีดน้ํา (17 mbar < p < 1013 mbar), ปั๊มสุญญากาศแบบฉีดไอน้ํา (10 -3 mbar < p < 10 -1 mbar) และปั๊มแพร่กระจาย (p < 10 -3 mbar) ปั๊มสุญญากาศแบบอีเจ็คเตอร์ใช้สําหรับการผลิตสุญญากาศปานกลางเป็นหลัก ปั๊มแบบแพร่กระจายจะสร้างสุญญากาศระดับสูงและสูงพิเศษ ทั้งสองประเภททํางานด้วยกระแสไหลของของเหลวปั๊มที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วในรูปแบบไอน้ําหรือของเหลว (ไอน้ํารวมทั้งไอน้ํา น้ํามัน หรือไอปรอท) กลไกการปั๊มของปั๊มขับเคลื่อนของเหลวทั้งหมดจะเหมือนกันโดยพื้นฐาน โมเลกุลก๊าซที่ปั๊มจะถูกนําออกจากภาชนะและเข้าสู่กระแสของเหลวปั๊มซึ่งขยายตัวหลังจากผ่านหัวฉีด โมเลกุลของกระแสของเหลวปั๊มจะถ่ายโอนผ่านพัลส์กระแทกไปยังโมเลกุลก๊าซในทิศทางการไหล ดังนั้น ก๊าซที่จะปั๊มจะถูกเคลื่อนไปยังพื้นที่ที่มีแรงดันสูงขึ้น
ในปั๊มขับเคลื่อนของเหลว แรงดันไอที่สอดคล้องกันจะเกิดขึ้นในระหว่างการทํางาน ขึ้นอยู่กับประเภทของของเหลวปั๊มและอุณหภูมิ รวมถึงการออกแบบหัวฉีด ในกรณีของปั๊มกระจายน้ํามัน ค่านี้อาจสูงถึง 1 mbar ในห้องเดือด แรงดันสํารองในปั๊มต้องต่ําพอที่จะปล่อยให้ไอระเหยไหลออกมา เพื่อให้แน่ใจว่าเป็นเช่นนั้น ปั๊มดังกล่าวจําเป็นต้องมีปั๊มรองที่สอดคล้องกัน ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นปั๊มชนิดกลไก ไอระเหยจะไม่สามารถเข้าสู่ภาชนะได้ เนื่องจากไอระเหยจะควบแน่นที่ผนังด้านนอกของปั๊มที่เย็นลงหลังจากถูกปล่อยออกมาผ่านหัวฉีด
หลักการทํางานของปั๊มขับเคลื่อนของเหลว
Wolfgang Gaede เป็นคนแรกที่ตระหนักว่าก๊าซที่ความดันค่อนข้างต่ําสามารถถูกปั๊มด้วยความช่วยเหลือของกระแสของของเหลวปั๊มที่มีความดันที่สูงกว่าเป็นหลัก และดังนั้นโมเลกุลก๊าซจากบริเวณที่มีแรงดันรวมต่ําจึงเคลื่อนเข้าสู่บริเวณที่มีแรงดันรวมสูง สถานการณ์ที่ดูเหมือนจะขัดแย้งกันนี้พัฒนาขึ้นเนื่องจากกระแสไอน้ําในตอนแรกปราศจากก๊าซทั้งหมด ดังนั้นก๊าซจากบริเวณที่มีแรงดันบางส่วนสูงกว่า (ภาชนะ) จึงสามารถแพร่กระจายไปยังบริเวณที่มีแรงดันบางส่วนต่ํากว่า (กระแสไอน้ํา) แนวคิดพื้นฐานของ Gaede นี้ถูกนํามาใช้โดย Langmuir (1915) ในการก่อสร้างปั๊มแพร่กระจายสมัยใหม่ตัวแรก ปั๊มแพร่กระจายตัวแรกเป็นปั๊มแพร่กระจายปรอทที่ทําจากแก้วในภายหลังเป็นโลหะ ในยุคหกสิบ ปรอทในฐานะตัวกลางถูกแทนที่ด้วยน้ํามันเกือบทั้งหมด เพื่อให้ได้ความเร็วของกระแสไอน้ําที่สูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เขาปล่อยให้กระแสไอน้ําปล่อยออกมาจากหัวฉีดด้วยความเร็วเหนือโซนิก ไอของของเหลวที่ปั๊มซึ่งเป็นไอระเหยจะควบแน่นที่ผนังที่ถูกทําให้เย็นลงของตัวเรือนปั๊ม ในขณะที่ก๊าซที่ลําเลียงจะถูกอัดเพิ่มเติม ซึ่งมักจะเกิดขึ้นในขั้นตอนถัดไปหนึ่งขั้นตอนหรือมากกว่านั้น ก่อนที่จะถูกกําจัดออกโดยปั๊มสํารอง อัตราส่วนการบีบอัดที่ได้จากปั๊มขับเคลื่อนของเหลวนั้นสูงมาก ถ้ามีแรงดัน 10 -9 mbar ที่พอร์ตขาเข้าของปั๊มขับเคลื่อนของเหลวและแรงดันสํารอง 10 -2 mbar ก๊าซที่ปั๊มจะถูกบีบอัดด้วยปัจจัย 107!
ประเภทของปั๊มขับเคลื่อนของเหลว
ความดันขั้นสุดท้ายของปั๊มขับเคลื่อนของเหลวถูกจํากัดโดยค่าความดันบางส่วนของของเหลวที่ใช้ที่อุณหภูมิการทํางานของปั๊ม ในทางปฏิบัติ เราพยายามที่จะปรับปรุงเรื่องนี้โดยการเพิ่มแผ่นกั้นหรือตัวดักความเย็น ซึ่งเป็น " คอนเดนเซอร์ " ระหว่างปั๊มขับเคลื่อนของเหลวและห้องสุญญากาศ ดังนั้นแรงดันสูงสุดที่สามารถบรรลุได้ในห้องสุญญากาศจึงถูกจํากัดเฉพาะแรงดันบางส่วนของของเหลวที่อุณหภูมิของแผ่นกั้นเท่านั้น
ปั๊มขับเคลื่อนของเหลวหลากหลายประเภทแตกต่างกันตามความหนาแน่นของของเหลวปั๊มที่ทางออกของหัวฉีดด้านบนที่หันไปทางด้านสุญญากาศสูงของปั๊ม:
- ความหนาแน่นของไอน้ําต่ํา: ปั๊มแพร่กระจายรวมถึงปั๊มแพร่กระจายน้ํามันและปั๊มแพร่กระจายปรอท
- ความหนาแน่นของไอน้ําสูง: ปั๊มไอน้ํารวมทั้งปั๊มไอน้ํา ปั๊มไอน้ํามัน และปั๊มไอปรอท
- ปั๊มฉีดพ่นไอน้ํา/การแพร่กระจายน้ํามันแบบผสม
- ปั๊มฉีดน้ํา
หลักการทํางานของปั๊มฉีดไอน้ํามัน
การดําเนินการปั๊มของขั้นตอนการปล่อยไอระเหยจะอธิบายด้วยความช่วยเหลือของรูปที่ 2.46. ของเหลวปั๊มเข้าสู่หัวฉีด (1) ภายใต้แรงดันสูง p1 ซึ่งสร้างขึ้นเป็นหัวฉีด Laval จากนั้นจะขยายตัวไปยังแรงดันขาเข้า p2 ในการขยายตัวนี้ การเปลี่ยนแปลงพลังงานอย่างฉับพลันจะมาพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของความเร็ว ดังนั้นไอระเหยของของเหลวปั๊มที่เร่งความเร็วจึงไหลผ่านบริเวณมิกเซอร์ (3) ซึ่งเชื่อมต่อกับภาชนะ (4) ที่ถูกระบายออก ที่นี่ โมเลกุลก๊าซที่ออกมาจากภาชนะจะถูกดึงไปพร้อมกับไอน้ํา ส่วนผสม ไอน้ําของของเหลวปั๊ม - ก๊าซ จะเข้าสู่หัวฉีดดิฟฟิวเซอร์ที่สร้างขึ้นเป็นหัวฉีดเวนจูริ (2) ที่นี่ส่วนผสมของไอน้ําและก๊าซจะถูกบีบอัดให้มีแรงดันรอง p3 พร้อมกับการลดความเร็วในเวลาเดียวกัน จากนั้นไอของของเหลวปั๊มจะควบแน่นที่ผนังปั๊ม ในขณะที่ก๊าซที่ติดอยู่จะถูกกําจัดออกโดยปั๊มรอง
รูปที่ 2.46 การทํางานของปั๊มไอน้ําแบบเจ็ท
- หัวฉีด (Laval)
- หัวฉีดดิฟฟิวเซอร์ (เวนจูริ)
- ห้องผสม
- การเชื่อมต่อกับห้องสุญญากาศ
ปั๊มฉีดไอน้ํามันเหมาะอย่างยิ่งสําหรับการปั๊มก๊าซหรือไอในปริมาณมากในช่วงแรงดันระหว่าง 1 ถึง 10 -3 mbar ความหนาแน่นที่สูงขึ้นของกระแสไอน้ําในหัวฉีดช่วยให้แน่ใจว่าการแพร่กระจายของก๊าซที่ปั๊มในกระแสไอน้ําจะเกิดขึ้นช้ากว่าในปั๊มแพร่กระจายมาก ดังนั้นก๊าซจะซึมผ่านเฉพาะชั้นด้านนอกของกระแสไอน้ําเท่านั้น นอกจากนี้ พื้นผิวที่มีการแพร่กระจายจะมีขนาดเล็กกว่ามากเนื่องจากโครงสร้างพิเศษของหัวฉีด ดังนั้น ความเร็วในการปั๊มที่เฉพาะเจาะจงของปั๊มฉีดไอน้ําจึงน้อยกว่าความเร็วในการปั๊มแบบแพร่กระจาย เนื่องจากก๊าซที่ปั๊มในบริเวณใกล้เคียงกับหัวฉีดภายใต้แรงดันทางเข้าที่สูงขึ้นเป็นหลักมีอิทธิพลอย่างมากต่อเส้นทางการไหล จึงจะได้รับสภาวะที่เหมาะสมที่สุดเฉพาะที่แรงดันทางเข้าบางระดับเท่านั้น ดังนั้น ความเร็วในการปั๊มจึงไม่คงที่ในทิศทางแรงดันขาเข้าต่ํา อันเป็นผลมาจากความเร็วและความหนาแน่นของกระแสไอน้ําที่สูง ปั๊มฉีดไอน้ํามันจึงสามารถลําเลียงก๊าซที่ความดันสํารองที่ค่อนข้างสูงได้ ความดันป้อนกลับวิกฤตอยู่ที่ไม่กี่มิลลิบาร์ โดยทั่วไปแล้ว ปั๊มอีเจ็คเตอร์ไอน้ํามันที่ใช้ในเทคโนโลยีสุญญากาศปัจจุบันจะมีขั้นตอนการแพร่กระจายอย่างน้อยหนึ่งขั้นตอนและขั้นตอนการอีเจ็คเตอร์ที่ตามมาหลายขั้นตอน ระบบหัวฉีดของบูสเตอร์ประกอบด้วยสองจังหวะการแพร่กระจายและสองจังหวะการปล่อยออกในแบบคาสเคด (ดูรูปที่ 2.47) ขั้นตอนการแพร่กระจายจะให้ความเร็วในการปั๊มสูงระหว่าง 10 -4 และ 10 -3 mbar (ดูรูปที่ 2.48), จังหวะการปล่อยออก, อัตราการไหลของก๊าซสูงที่แรงดันสูง (ดูรูปที่ 2.49) และแรงดันป้อนกลับวิกฤตสูง ความไม่ไวต่อฝุ่นและไอระเหยที่ละลายในของเหลวปั๊มเกิดจากหม้อต้มขนาดใหญ่และถังเก็บของเหลวปั๊มขนาดใหญ่ สิ่งสกปรกปริมาณมากสามารถอยู่ในหม้อต้มได้โดยไม่ทําให้ลักษณะการปั๊มเสื่อมสภาพ
ภาพที่ 2.47 แผนภาพของปั๊มฉีดน้ํามัน (บูสเตอร์)
ภาพที่ 2.48 ความเร็วในการปั๊มของปั๊มไอน้ําต่างๆ เป็นฟังก์ชันของแรงดันขาเข้าที่สัมพันธ์กับความเร็วในการปั๊มที่กําหนดที่ 1000 ลิตร/วินาที สิ้นสุดช่วงการทํางานของปั๊มฉีดไอน้ํามัน (A) และปั๊มแพร่กระจาย (B)
รูปที่ 2.49 ความเร็วของปั๊มไอน้ําต่างๆ (ที่ได้มาจากรูปที่ 2.48)
ปั๊มฉีดน้ําและเครื่องฉีดไอน้ํา
ไม่เพียงแต่ปั๊มที่ใช้ไอระเหยที่ไหลอย่างรวดเร็วเป็นของเหลวปั๊มเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปั๊มฉีดน้ําด้วย ปั๊มสุญญากาศที่เรียบง่ายและราคาถูกที่สุดคือ ปั๊มฉีดน้ํา เช่นเดียวกับปั๊มไอน้ํา (ดูรูปที่ 2.46 หรือ 2.51) กระแสของเหลวจะถูกปล่อยออกจากหัวฉีดก่อน จากนั้นจึงผสมกับก๊าซที่ปั๊มในห้องผสมเนื่องจากการปั่นป่วน ในขั้นสุดท้าย การเคลื่อนที่ของส่วนผสมของน้ําและก๊าซจะชะลอตัวลงในท่อเวนจูริ แรงดันรวมขั้นสุดท้ายในภาชนะบรรจุที่ถูกปั๊มด้วยปั๊มฉีดน้ําจะถูกกําหนดโดยแรงดันไอน้ําของน้ํา และตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิน้ําที่ 59°F (15°C) เป็นประมาณ 17 mbar
รูปที่ 2.46 การทํางานของปั๊มไอน้ําแบบเจ็ท
- หัวฉีด (Laval)
- หัวฉีดดิฟฟิวเซอร์ (เวนจูริ)
- ห้องผสม
- การเชื่อมต่อกับห้องสุญญากาศ
ภาพที่ 2.51 การแสดงแผนผังการทํางานของปั๊มฉีดไอน้ํา
- ทางเข้าไอน้ํา
- หัวฉีดน้ํา
- ผู้จัดจําหน่าย
- การผสมผสาน
- การเชื่อมต่อกับห้องสุญญากาศ
ความเร็วในการปั๊มที่สูงขึ้นและแรงดันขั้นสุดท้ายที่ต่ํากว่านั้นเกิดจากปั๊มไอน้ํา ส่วนที่ผ่านหนึ่งจังหวะจะแสดงในรูปที่ 2.51. เครื่องหมายสอดคล้องกับเครื่องหมายที่แสดงในรูป 2.46 ในทางปฏิบัติ ขั้นตอนการปั๊มหลายขั้นตอนมักจะติดตั้งแบบคาสเคด สําหรับการทํางานในห้องปฏิบัติการ ชุดปั๊มสองจังหวะเหมาะสมและประกอบด้วยจังหวะการปล่อยไอน้ําและจังหวะการฉีดน้ํา (การรองรับ) ซึ่งทั้งสองจังหวะทําจากแก้ว จังหวะปั๊มสํารองแบบ Water Jet ช่วยให้สามารถทํางานได้โดยไม่ต้องใช้ปั๊มสํารองอื่นๆ ด้วยความช่วยเหลือของกระแสไอน้ําที่แรงดันสูงเกิน ห้องสุญญากาศสามารถระบายออกจนถึงแรงดันสูงสุดประมาณ 3 มิลลิบาร์ น้ําที่เกิดจากการควบแน่นจากไอน้ําจะถูกระบายออกผ่านช่องระบายน้ําทิ้ง ขั้นตอนการฉีดน้ําของปั๊มนี้จะระบายความร้อนด้วยน้ําเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ปั๊มฉีดไอน้ําเหมาะอย่างยิ่งสําหรับการทํางานในห้องปฏิบัติการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากต้องการปั๊มไอระเหยที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง ปั๊มฉีดไอน้ําซึ่งจะทํางานที่แรงดันไม่กี่มิลลิบาร์ แนะนําเป็นพิเศษสําหรับการปั๊มเครื่องกลั่นในห้องปฏิบัติการและโรงงานที่คล้ายกันเมื่อแรงดันจากปั๊มฉีดน้ําแบบธรรมดาไม่เพียงพอ ในกรณีนี้ การใช้ปั๊มโรตารี่จะไม่คุ้มค่า
ข้อจํากัดของปั๊มฉีดน้ํา
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
