Roots pompası nasıl çalışır?
Roots pompaların tasarım prensibi 1848 yılında Isaiah Davies tarafından icat edilmişti ancak 20 yıl sonra Amerikalı Francis ve Philander Roots tarafından uygulamaya konuldu. Başlangıçta bu tür pompalar içten yanmalı motorlar için blower olarak kullanılıyordu. Daha sonra tahrik düzeni tersine çevrilerek bu prensip gaz sayaçlarında kullanıldı. Bu ilke, vakum mühendisliğinde yalnızca 1954 yılından beri kullanılmaktadır. Roots pompalar, yardımcı pompalarla (döner paletli veya kuru pompalar) birlikte pompa kombinasyonlarında kullanılır ve çalışma aralığını orta vakum aralığına kadar genişletir. İki kademeli Roots pompaları ile bu, yüksek vakum aralığına kadar uzanır. Roots pompalarının çalışma prensibi, aynı çalışma aralığında çalışan buhar ejektör pompalarından genellikle daha ekonomik olan çok yüksek pompalama hızlarına (100.000 m3/sa üzerinde) sahip ünitelerin monte edilmesine olanak tanır.
Roots pompasının çalışma prensibi
A Roots vakum pompası (bkz. Şekil 2,17), simetrik şekilli iki pervanenin birbirine yakın bir şekilde pompa muhafazasının içinde döndüğü döner pozitif deplasmanlı bir pompa türüdür. Her iki rotorun kesiti yaklaşık olarak 8 şeklindedir ve dişli bir dişli ile senkronize edilmiştir. Rotorlar ile gövde duvarı arasındaki ve rotorların kendileri arasındaki boşluk sadece birkaç milimetrenin onda biri kadardır. Bu nedenle Roots pompaları mekanik aşınma olmadan yüksek hızlarda çalıştırılabilir. Döner paletli ve kuru pompaların aksine Roots pompalar yağ sızdırmaz değildir, bu nedenle kuru sıkıştırma pompalarının tasarımı gereği dahili sızıntısı, sıkıştırma oranlarının yalnızca 10 - 100 aralığında elde edilebilmesine neden olur. Roots pompaların ve bu konudaki diğer kuru sıkıştırma pompalarının dahili sızıntısı, çalışma prensibi nedeniyle pompa odasının belirli yüzey alanlarının pompanın emme tarafına ve sıkıştırma tarafına dönüşümlü olarak atanması gerçeğine dayanır. Sıkıştırma aşamasında bu yüzey alanları (rotorlar ve gövde) gazla (sınır katmanı) yüklenir; emme aşamasında bu gaz açığa çıkar. Hareket eden gaz katmanının kalınlığı, iki rotor arasındaki ve rotorlar ile muhafaza duvarı arasındaki boşluğa bağlıdır. Roots pompasındaki nispeten karmaşık termal koşullar nedeniyle, soğuk duruma dayanarak değerlendirme yapmak mümkün değildir. 1 mbar civarındaki çalışma basınçlarında en küçük boşluklara ve dolayısıyla en düşük geri akışlara ulaşılır. Daha sonra bu bölgede en yüksek sıkıştırma oranlarına ulaşmak mümkündür, ancak bu basınç aralığı rotorlar ve gövde arasındaki temaslar göz önünde bulundurulduğunda da en kritiktir.
Şekil 2.17 Roots pompasının şematik kesiti
- Giriş flanşı
- Rotorlar
- Hazne
- Çıkış flanşı
- Boru
Roots pompasının pompalama animasyonunu izlemek için aşağıdaki videoyu izleyin
RUVAC - The dry compressor roots principle
Roots pompalarının karakteristik miktarları
Roots pompası tarafından etkili bir şekilde pompalanan gaz miktarı Q eff, teorik olarak pompalanan gaz miktarı Qth ve dahili kaçak QiR'den (kaybedilen gaz miktarı olarak) şu şekilde hesaplanır:
(2,5)
Teorik olarak pompalanan gaz miktarı için aşağıdakiler geçerlidir:
(2,6)
burada pa giriş basıncı ve Sth teorik pompalama hızıdır. Bu da pompalama hacminin VS ve hızın n ürünüdür:
(2,7)
Benzer şekilde, dahili kaçak QiR şu şekilde hesaplanır:
(2,8)
burada p V, ön vakum basıncıdır (ön vakum tarafındaki basınç) ve S iR,
(2,9)
yani hız n ve dahili kaçak hacmi ViR ürünü.
Roots pompalarının hacimsel verimliliği şu şekilde verilir (2,10)
(2,10)
Denklem 2,5, 2,6, 2,7 ve 2,8 kullanılarak (2,11) elde edilir
(2,11)
pv /pa kompresyonunu k olarak tanımlarken elde edilen
(2.11a)
Maksimum sıkıştırmaya sıfır debide ulaşılır (bkz. PNEUROP ve DIN 28.426, Bölüm 2). Bu k0 olarak tanımlanır: (2,12)
(2,12)
k 0, genellikle ön vakum basıncı p V'nin bir fonksiyonu olarak belirtilen Roots pompası için karakteristik bir miktardır (bkz. Şekil 2,18).
k0 ayrıca gaz türüne de (kısmen) bağlıdır.
2.18 Ön vakum basıncı pv işlevi olarak Roots pompası RUVAC WA 2001 maksimum sıkıştırma k0
Roots pompasının verimliliği için genel olarak geçerli denklem geçerlidir: (2,13)
(2,13)
Normalde bir Roots pompası, nominal pompalama hızı SV olan bir aşağı akış kaba vakum pompası ile bağlantılı olarak çalıştırılır. Süreklilik denklemi şunları verir: (2,14)
(2,14)
Bundan (2,15)
(2,15)
Sth /SV oranı (Roots pompasının teorik pompalama hızı / destek pompasının pompalama hızı) kademe kth olarak adlandırılır. (2,15) değerinden (2,16) elde edilir
(2,16)
Denklem (2,16), hacimsel verimlilik her zaman < 1 olduğundan Roots pompası ile elde edilebilecek sıkıştırma k'nin her zaman Roots pompası ve destek pompası arasındaki derecelendirme k'den daha az olması gerektiğini belirtir. Denklemler (2,13) ve (2,16) birleştirildiğinde verimlilik için bilinen ifade (2,17) elde edilir.
(2,17)
Denklem 2,17'de bulunan karakteristik miktarlar yalnızca Roots pompası ve destek pompasının kombinasyonu içindir, yani Roots pompasının maksimum sıkıştırma k0 ve Roots pompası ile destek pompası arasındaki derecelendirme kth.
Yukarıdaki denklemler yardımıyla, belirli bir Roots pompası ve destek pompası kombinasyonunun pompalama hızı eğrisi hesaplanabilir. Bunun için aşağıdakiler bilinmelidir:
a) Roots pompasının teorik pompalama hızı: Sth
b) maksimum ön vakum basıncının bir fonksiyonu olarak sıkıştırma: k0 (pV)
c) yardımcı pompanın pompalama hızı karakteristiği SV (pV)
Hesaplamanın nasıl yapıldığı Tablo 2,3'te bir Roots pompa RUVAC WA 2001 / E 250 (tek kademeli döner pistonlu pompa, gaz balast olmadan çalıştırılır) kombinasyonu için veriler verilerek görülebilir.
Tablo 2,3 Sağdaki iki sütundan alınan değerler, WA 2001/E250 kombinasyonu için pompalama hızı eğrisini nokta nokta verir (bkz. Şekil 2,19, en üstteki eğri)
Burada Sth için aşağıdakiler alınır:
Yukarıda özetlenen yöntem, örneğin destek pompası olarak bir döner pompa ve seri olarak bağlanmış birkaç Roots pompadan oluşan düzeneklere de uygulanabilir. Başlangıçta, bir tekrarlama yöntemi doğrultusunda, destek pompasının artı birinci Roots pompasının pompalama karakteristiğini belirler ve ardından bu kombinasyonu ikinci Roots pompası için destek pompası olarak değerlendirir. Tabii ki, düzenlemenin tüm pompalarının teorik pompalama hızının bilinmesi ve destek basıncının bir fonksiyonu olarak sıfır debi k 0'daki sıkıştırmanın da bilinmesi gerekir. Daha önce de belirtildiği gibi, hangi sınıflandırmanın en uygun olacağı vakum prosesine bağlıdır. Yardımcı pompa ve Roots pompanın kaba vakum aralığında aynı pompalama hızına sahip olması avantajlı olabilir.
Roots pompasının güç gereksinimi
Roots pompasındaki sıkıştırma, harici sıkıştırma yoluyla gerçekleştirilir ve izokorik sıkıştırma olarak adlandırılır. Deneyimler, aşağıdaki denklemin yaklaşık olarak geçerli olduğunu göstermektedir:
(2,18)
Pompanın toplam gücünü (şaft çıkışı olarak adlandırılır) belirlemek için, mekanik güç kayıpları NV (örneğin rulman salmastralarında) dikkate alınmalıdır: (2,19)
(2,19)
NV cinsinden özetlenen güç kayıpları - tecrübeyle gösterildiği gibi - Sth ile yaklaşık olarak orantılıdır, yani:
(2,20)
Pompanın türüne ve tasarımına bağlı olarak sabit değerleri 0,5 ile 2 Wh / m3 arasındadır.
Toplam güç şu şekildedir:
Hesaplamalar için yararlı olan ilgili sayısal değer denklemi:
(2,21)
pv, pa mbar cinsinden, Sth m3 / saat cinsinden ve sabit "const." 18 ile 72 mbar arasındadır.
Roots pompasının yük değeri
Pompanın çektiği güç miktarı sıcaklığını belirler. Sıcaklık, izin verilen maksimum basınç farkı pV - pa tarafından belirlenen belirli bir seviyenin üzerine çıkarsa, rotorların termal genleşmeleri nedeniyle gövdede sıkışma tehlikesi vardır. İzin verilen maksimum basınç farkı Δp maks. aşağıdaki faktörlerden etkilenir: ön vakum veya sıkıştırma basıncı pV, destek pompasının pompalama hızı SV, Roots pompasının hızı n, derecelendirme kth ve pompalanan gazın adyabatik katsayısı κ. Δpmax, pV ve SV arttığında artar ve n ve kth arttığında azalır. Bu nedenle, ön vakum basıncı ile giriş basıncı arasındaki maksimum fark, pV -pa sürekli çalışma sırasında pompa tipine bağlı olarak belirli bir değeri aşmamalıdır. Bu değerler 130 ila 50 mbar aralığındadır. Ancak sürekli işletimde izin verilen azami basınç farkı kısa süreliğine aşılabilir. Örneğin gaz soğutması kullanan özel yapı tarzlarında sürekli işletimde de yüksek basınç farklarına izin verilir.
Roots pompaları ile kullanılan motor tipleri
Tahrik olarak standart flanşlı motorlar kullanılır. Mil geçişleri, tahrik milini korumak için aşınmaya dayanıklı bir burç üzerinde çalışan iki yağ sızdırmaz radyal mil keçesi ile sızdırmaz hale getirilmiştir. Her türlü koruma sınıfına, gerilime veya frekansa sahip flanşlı motorlar kullanılabilir.
Bu modelin entegre sızdırmazlığı < 10 -4 mbar · l · s -1 'dir.
< 10 -5 mbar · l · s -1 değerindeki daha iyi sızdırmazlık gereksinimleri durumunda Roots pompası bir gömülü motor ile donatılmıştır. Rotor, pompanın tahrik mili üzerindeki vakuma oturur ve vakum sızdırmaz manyetik olmayan bir tüp ile statörden ayrılır. Stator bobinleri kendi tahrik motoruna sahip bir fanla soğutulur. Bu sayede aşınmaya maruz kalan mil keçelerine artık ihtiyaç duyulmaz. Özellikle yüksek saflıkta, toksik veya radyoaktif gazlar ve buharlar pompalanırken kanopi motorlu Roots pompaların kullanılması önerilir.
İzin verilen basınç farkının korunması
Standart Roots pompalarında, tasarım kısıtlamaları nedeniyle giriş ve egzoz bağlantı noktası arasında izin verilen maksimum basınç farkının aşılmamasını sağlamak için önlemler alınmalıdır. Bu işlem, Roots pompasını giriş basıncına bağlı olarak kapatan bir basınç anahtarıyla veya Roots pompalarının baypasında bir basınç farkı veya taşma valfi kullanılarak yapılır (Şekil 2,20 ve 2,21). Roots pompasının baypasında bir taşma valfi kullanılması daha iyi ve daha güvenilir bir çözümdür. Ağırlık ve yay yüklü valf, ilgili pompanın izin verilen maksimum basınç farkına ayarlanır. Bu, Roots pompasının aşırı yüklenmemesini ve herhangi bir basınç aralığında çalıştırılabilmesini sağlar. Pratikte bu, Roots pompasının destek pompasıyla birlikte atmosferik basınçta çalıştırılabileceği anlamına gelir. Bu süreçte basınç artışları kombine çalışmayı olumsuz etkilemez, yani Roots pompası bu gibi durumlarda kapatılmaz.
Şekil 2.20 Bypass hatlı bir Roots pompasının kesiti
Şekil 2.21 Vakum şeması - Entegre baypas hatlı ve destek pompalı Roots pompası
Ön soğutma
Ön soğutmalı Roots pompaları için (Şekil 2,22), sıkıştırma işlemi esas olarak normal bir Roots pompası ile aynıdır. Daha büyük basınç farklarına izin verildiğinden, verilen hızda ve giriş ile tahliye portu arasındaki basınç farkında doğrudan orantılı olan ve sıkıştırma ve çeşitli güç kayıpları üzerinde yapılan teorik çalışmadan oluşan daha fazla kurulu güç gerekir. Sıkıştırma işlemi, pompalama odasının tahliye deliği yönünde açılmasından sonra normal olarak sona erer. Bu anda, daha yüksek basınçta ısıtılmış gaz pompalama odasına akar ve taşınan gaz hacmini sıkıştırır. Bu sıkıştırma işlemi giriş öncesi soğutmada önceden gerçekleşir. Rotor pompalama haznesini tahliye deliği yönünde açmadan önce, sıkıştırılmış ve soğutulmuş gaz ön giriş kanalı üzerinden pompalama haznesine akar. Son olarak, rotorlar pompalanan ortamı tahliye portu üzerinden dışarı atar. Tek kademeli sıkıştırmada atmosferden alınan ve ön giriş soğutucusundan alınan ve çok kademeli pompa sistemlerinde aşağı akış gaz soğutucularından alınan soğutulan gaz, ön sıkıştırma yapar ve oluştuğu anda "iç soğutma" ile sıkıştırma ısısını uzaklaştırır.
Şekil 2,22 Giriş öncesi soğutmalı bir Roots pompasının şeması
- Hava girişi
- Boşaltma çıkışı
- Gaz soğutucusu
- Soğuk gaz akışı
Vakum Teknolojisinin Temelleri
Vakum pompası temellerini ve proseslerini keşfetmek için "Vakum Teknolojisinin Temelleri" adlı e-Kitabımızı indirin.
Referanslar
- Vakum sembolleri
- Terimler Sözlüğü
- Referanslar ve kaynaklar
Vakum sembolleri
Vakum sembolleri
Pompa tiplerinin ve pompalama sistemlerindeki parçaların görsel bir temsili olarak vakum teknolojisi şemalarında yaygın olarak kullanılan sembollerin sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Vakum teknolojisinde kullanılan ölçüm birimlerine ve sembollerin ne anlama geldiğine ve tarihi birimlerin modern eşdeğerlerine genel bir bakış
Referanslar ve kaynaklar
Referanslar ve kaynaklar
Vakum teknolojisinin temel bilgileriyle ilgili referanslar, kaynaklar ve daha fazla okuma
Vakum sembolleri
Pompa tiplerinin ve pompalama sistemlerindeki parçaların görsel bir temsili olarak vakum teknolojisi şemalarında yaygın olarak kullanılan sembollerin sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Vakum teknolojisinde kullanılan ölçüm birimlerine ve sembollerin ne anlama geldiğine ve tarihi birimlerin modern eşdeğerlerine genel bir bakış
Referanslar ve kaynaklar
Vakum teknolojisinin temel bilgileriyle ilgili referanslar, kaynaklar ve daha fazla okuma
