Bơm chân không phun hơi hoạt động như thế nào?
Giới thiệu về bơm truyền dịch
Phân biệt giữa các bơm phun như bơm phun nước (17 mbar < p < 1013 mbar), bơm chân không phun hơi (10 -3 mbar < p < 10 -1 mbar) và bơm khuếch tán (p < 10 -3 mbar). Bơm chân không phun được sử dụng chủ yếu để tạo ra chân không trung bình. Bơm khuếch tán tạo ra chân không cao và siêu cao. Cả hai loại đều hoạt động với dòng chất lỏng bơm di chuyển nhanh ở dạng hơi hoặc lỏng (tia nước cũng như hơi nước, dầu hoặc hơi thủy ngân). Cơ chế bơm của tất cả các bơm truyền dịch về cơ bản là giống nhau. Các phân tử khí được bơm được loại bỏ khỏi bình và đi vào dòng chất lỏng bơm giãn nở sau khi đi qua vòi phun. Các phân tử của dòng chất lỏng bơm được chuyển qua các xung tác động đến các phân tử khí theo hướng dòng chảy. Do đó, khí sẽ được bơm được chuyển đến một không gian có áp suất cao hơn.
Trong bơm truyền chất lỏng, áp suất hơi tương ứng xảy ra trong quá trình vận hành tùy thuộc vào loại chất lỏng bơm và nhiệt độ cũng như thiết kế của vòi phun. Đối với bơm khuếch tán dầu, mức này có thể lên đến 1 mbar trong buồng đun sôi. Áp suất trước trong bơm phải đủ thấp để hơi nước chảy ra. Để đảm bảo điều này, các bơm như vậy yêu cầu bơm phụ tương ứng, chủ yếu là loại cơ khí. Vòi phun hơi nước không thể xâm nhập vào bình vì nó ngưng tụ ở các thành ngoài của bơm đã được làm mát sau khi được đẩy ra qua vòi phun.
Nguyên tắc hoạt động của bơm truyền dịch
Wolfgang Gaede là người đầu tiên nhận ra rằng các khí ở áp suất tương đối thấp có thể được bơm với sự trợ giúp của dòng chất lỏng bơm có áp suất cao hơn về cơ bản và do đó, các phân tử khí từ một vùng có tổng áp suất thấp di chuyển vào một vùng có tổng áp suất cao. Trạng thái dường như nghịch lý này phát triển khi dòng hơi ban đầu hoàn toàn không có khí, do đó các khí từ một vùng áp suất khí một phần cao hơn (thùng chứa) có thể khuếch tán vào một vùng áp suất khí một phần thấp hơn (dòng hơi). Khái niệm Gaede cơ bản này được Langmuir (1915) sử dụng trong việc xây dựng máy bơm khuếch tán hiện đại đầu tiên. Các máy bơm khuếch tán đầu tiên là máy bơm khuếch tán thủy ngân làm bằng thủy tinh, sau đó là kim loại. Vào những năm sáu mươi, thủy ngân làm môi trường gần như được thay thế hoàn toàn bằng dầu. Để đạt được tốc độ dòng hơi cao nhất có thể, ông cho phép dòng hơi phát ra từ vòi phun với tốc độ siêu âm. Hơi chất lỏng bơm, tạo thành vòi phun hơi, ngưng tụ tại thành làm mát của vỏ bơm, trong khi khí được vận chuyển được nén thêm, thường trong một hoặc nhiều giai đoạn tiếp theo, trước khi được loại bỏ bởi bơm phụ. Tỷ lệ nén, có thể đạt được với bơm truyền chất lỏng, rất cao: nếu có áp suất 10 -9 mbar tại cổng nạp của bơm truyền chất lỏng và áp suất ngược 10 -2 mbar, khí được bơm sẽ bị nén bằng hệ số 107!
Các loại bơm truyền chất lỏng
Áp suất cuối của bơm truyền chất lỏng bị giới hạn bởi giá trị áp suất một phần của chất lỏng được sử dụng ở nhiệt độ vận hành của bơm. Trong thực tế, người ta cố gắng cải thiện điều này bằng cách giới thiệu các vách ngăn hoặc bẫy lạnh. Đây là các "bình ngưng tụ" giữa bơm truyền chất lỏng và buồng chân không, do đó áp suất cuối cùng có thể đạt được trong buồng chân không giờ đây chỉ bị giới hạn bởi áp suất một phần của chất lỏng ở nhiệt độ của vách ngăn.
Các loại bơm truyền chất lỏng khác nhau về cơ bản được phân biệt bởi mật độ của chất lỏng bơm ở đầu ra của vòi phun trên cùng đối diện với phía chân không cao của bơm:
- Mật độ hơi thấp: Bơm khuếch tán bao gồm bơm khuếch tán dầu và bơm khuếch tán thủy ngân
- Mật độ hơi cao: Bơm hơi nước bao gồm bơm hơi nước, bơm hơi dầu và bơm hơi thủy ngân
- Bơm phun dầu/bơm phun hơi kết hợp
- Bơm phun nước
Nguyên tắc hoạt động của bơm phun hơi dầu
Hành động bơm của giai đoạn phun hơi được giải thích với sự trợ giúp của Hình 2,46. Chất lỏng bơm đi vào vòi phun (1) dưới áp suất cao p1, được cấu tạo như một vòi phun Laval. Ở đó nó được mở rộng đến áp suất đầu vào p2. Khi mở rộng này, sự thay đổi năng lượng đột ngột đi kèm với tốc độ tăng. Vòi phun hơi chất lỏng bơm tăng tốc do đó chảy qua vùng máy trộn (3), được kết nối với bình (4) đang được hút chân không. Ở đây, các phân tử khí thoát ra khỏi bình được kéo theo vòi phun hơi. Hỗn hợp, hơi chất lỏng bơm - khí, giờ đây đi vào vòi khuếch tán được cấu tạo như một vòi Venturi (2). Ở đây, hỗn hợp hơi và khí được nén đến áp suất ngược p3 với tốc độ giảm đồng thời. Sau đó hơi chất lỏng bơm ngưng tụ ở thành bơm, trong khi khí kẹt trong bơm được loại bỏ bởi bơm phụ.
Hình 2,46 Vận hành bơm phun hơi nước.
- Vòi phun (Laval)
- Vòi khuếch tán (Venturi)
- Khoang trộn
- Kết nối với buồng chân không
Bơm phun hơi dầu lý tưởng để bơm lượng khí hoặc hơi lớn hơn trong vùng áp suất từ 1 đến 10 -3 mbar. Mật độ cao hơn của luồng hơi trong vòi phun đảm bảo rằng sự khuếch tán của khí được bơm trong luồng hơi diễn ra chậm hơn nhiều so với trong bơm khuếch tán, do đó chỉ các lớp bên ngoài của luồng hơi được thấm khí. Hơn nữa, bề mặt mà quá trình khuếch tán diễn ra nhỏ hơn nhiều do cấu trúc đặc biệt của vòi phun. Do đó, tốc độ bơm cụ thể của bơm phun hơi nước nhỏ hơn tốc độ bơm khuếch tán. Vì khí được bơm ở khu vực gần vòi phun dưới áp suất đầu vào cao hơn về cơ bản ảnh hưởng quyết định đến đường dẫn dòng chảy, điều kiện tối ưu chỉ đạt được ở một số áp suất đầu vào nhất định. Do đó, tốc độ bơm không ổn định đối với áp suất đầu vào thấp. Do tốc độ và mật độ dòng hơi cao, bơm phun hơi dầu có thể vận chuyển khí với áp suất ngược tương đối cao. Áp suất phụ quan trọng của chúng nằm ở một vài milibar. Bơm phun hơi dầu được sử dụng trong công nghệ chân không hiện nay thường có một hoặc nhiều giai đoạn khuếch tán và một số giai đoạn phun tiếp theo. Hệ thống vòi phun của bộ tăng áp được cấu tạo từ hai giai đoạn khuếch tán và hai giai đoạn phun theo tầng (xem Hình 2,47). Các giai đoạn khuếch tán cung cấp tốc độ bơm cao từ 10 -4 đến 10 -3 mbar (xem Hình 2,48), các giai đoạn phun, lưu lượng khí cao ở áp suất cao (xem Hình 2,49) và áp suất ngược tới hạn cao. Độ nhạy với bụi và hơi nước hòa tan trong chất lỏng bơm đạt được nhờ nồi hơi rộng rãi và bình chứa chất lỏng bơm lớn. Lượng tạp chất lớn có thể được chứa trong nồi hơi mà không làm suy giảm đặc tính bơm.
Hình 2,47 Sơ đồ bơm phun dầu (bơm tăng áp).
Hình 2,48 Tốc độ bơm của các bơm hơi khác nhau như một chức năng của áp suất đầu vào liên quan đến tốc độ bơm danh định là 1000 l/giây. Kết thúc phạm vi hoạt động của bơm phun hơi dầu (A) và bơm khuếch tán (B)
Hình 2,49 tốc độ của các bơm hơi khác nhau (dẫn xuất từ Hình 2,48)
Bơm phun nước và phun hơi nước
Bao gồm trong loại bơm truyền chất lỏng không chỉ là bơm sử dụng hơi nước chảy nhanh làm chất lỏng bơm, mà còn là bơm phun chất lỏng. Bơm chân không đơn giản và rẻ nhất là bơm phun nước. Giống như trong bơm hơi (xem Hình 2,46 hoặc 2,51), dòng chảy chất lỏng trước tiên được giải phóng từ vòi phun và sau đó, do độ xoáy, trộn lẫn với khí được bơm trong buồng trộn. Cuối cùng, sự di chuyển của hỗn hợp nước và khí được làm chậm lại trong ống Venturi. Tổng áp suất cuối cùng trong thùng chứa được bơm bằng bơm phun nước được xác định bởi áp suất hơi nước và, ví dụ, ở nhiệt độ nước 59°F (15°C) là khoảng 17 mbar.
Hình 2,46 Vận hành bơm phun hơi nước.
- Vòi phun (Laval)
- Vòi khuếch tán (Venturi)
- Khoang trộn
- Kết nối với buồng chân không
Hình 2,51 Hình minh họa sơ đồ hoạt động của bơm phun hơi nước.
- Đầu vào hơi nước
- Vòi phun nước
- Bộ phân phối
- Khu vực trộn
- Kết nối với buồng chân không
Về cơ bản, tốc độ bơm cao hơn và áp suất cuối thấp hơn được tạo ra bởi bơm phun hơi nước. Phần thông qua một giai đoạn được minh họa trong Hình 2,51. Các đánh dấu tương ứng với các đánh dấu được minh họa trong Hình 2,46. Trong thực tế, một số giai đoạn bơm thường được gắn theo tầng. Đối với công việc trong phòng thí nghiệm, kết hợp bơm hai tầng phù hợp và bao gồm một tầng phun hơi nước và một tầng phun nước (lớp lót), cả hai đều làm bằng thủy tinh. Giai đoạn phụ tia nước cho phép vận hành mà không cần các bơm phụ khác. Với sự trợ giúp của dòng hơi ở áp suất quá cao, buồng chân không có thể được hút chân không đến áp suất cuối khoảng 3 mbar. Nước ngưng tụ từ hơi nước được dẫn đi qua đầu nối thoát nước. Giai đoạn vòi phun nước của bơm này được làm mát bằng nước để tăng hiệu quả. Bơm phun hơi đặc biệt phù hợp cho công việc trong phòng thí nghiệm, đặc biệt là nếu cần bơm hơi nước rất mạnh. Bơm phun hơi, sẽ hoạt động ở áp suất vài milibar, đặc biệt được khuyến nghị để bơm thiết bị chưng cất trong phòng thí nghiệm và các nhà máy tương tự khi áp suất từ bơm phun nước đơn giản không đủ. Trong trường hợp này, việc sử dụng bơm xoay sẽ không kinh tế.
Giới hạn của bơm phun nước
Mặc dù chi phí đầu tư thấp, bơm phun nước và máy phun hơi nước đang ngày càng được thay thế bởi bơm màng trong các phòng thí nghiệm vì các vấn đề môi trường khi sử dụng nước làm chất lỏng bơm. Dung môi xâm nhập vào nước chỉ có thể được loại bỏ một lần nữa thông qua các phương pháp vệ sinh phức tạp (chưng cất).
Kiến thức cơ bản về công nghệ chân không
Tải eBook "Nguyên tắc cơ bản của công nghệ chân không" của chúng tôi để khám phá những điều cần thiết và quy trình của bơm chân không.
Tài liệu tham khảo
- Biểu tượng chân không
- Bảng thuật ngữ
- Tài liệu tham khảo
Biểu tượng chân không
Biểu tượng chân không
Bảng thuật ngữ các biểu tượng thường được sử dụng trong các sơ đồ công nghệ chân không để thể hiện trực quan các loại bơm và các bộ phận trong hệ thống bơm
Bảng thuật ngữ
Bảng thuật ngữ
Tổng quan về các đơn vị đo được sử dụng trong công nghệ chân không và các biểu tượng đại diện cho gì, cũng như các đơn vị tương đương hiện đại của các đơn vị lịch sử
Tài liệu tham khảo
Tài liệu tham khảo
Tham khảo, nguồn và đọc thêm liên quan đến kiến thức cơ bản về công nghệ chân không
Biểu tượng chân không
Bảng thuật ngữ các biểu tượng thường được sử dụng trong các sơ đồ công nghệ chân không để thể hiện trực quan các loại bơm và các bộ phận trong hệ thống bơm
Bảng thuật ngữ
Tổng quan về các đơn vị đo được sử dụng trong công nghệ chân không và các biểu tượng đại diện cho gì, cũng như các đơn vị tương đương hiện đại của các đơn vị lịch sử
Tài liệu tham khảo
Tham khảo, nguồn và đọc thêm liên quan đến kiến thức cơ bản về công nghệ chân không