Как работает пластинчато-роторный вакуумный насос? Объяснение принципа работы и конструкции

Понизить давление в камере для упаковки пищевых продуктов до нескольких миллибар менее чем за минуту, держать лист фанеры на столе с ЧПУ в течение всей смены или вакуумировать холодильный контур достаточно глубоко, чтобы выпарить из него влагу: это рутинная работа для пластинчато-роторного вакуумного насоса. Так как же работает пластинчато-роторный вакуумный насос? Краткий ответ: эксцентриковый ротор вращается внутри цилиндрического корпуса, подпружиненные или центробежные лопасти скользят внутрь и наружу из пазов ротора, а герметичные камеры между этими лопастями улавливают газ на входе, сжимают его при вращении и вытесняют через выпускной клапан. Это машина объемного действия, имеющая то же семейство механизмов, что и поршневой компрессор, просто упакованная в компактную, непрерывно вращающуюся форму. Все остальные элементы, от нефти до газового балласта и второй ступени, созданы для того, чтобы сделать этот базовый цикл более глубоким, сухим и долговечным.

Рабочий цикл, шаг за шагом

Геометрия делает свое дело. Ротор расположен эксцентрично внутри статора, его ось смещена от центральной линии корпуса так, что он касается стенки по одной линии. Лопасти, обычно от двух до восьми, проходят в радиальных пазах и прижимаются наружу к этой стенке центробежной силой, иногда с пружинами позади них. При типичных скоростях привода примерно от 1400 до 3000 об/мин каждая камера между соседними лопатками увеличивается и сжимается один раз за оборот, и последовательность действий выглядит следующим образом:

1. Впуск. Когда лопасть проходит через впускное отверстие, камера позади нее расширяется, поэтому давление внутри падает, и газ поступает из вакуумируемого сосуда.
2. Ловушка. Как только камера выходит из впускного отверстия, лопасти с обеих сторон герметизируют внутри фиксированную порцию газа.
3. Сжатие. Вращение перемещает герметичную камеру к стороне нагнетания, где геометрия корпуса уменьшает объем и повышает давление газа.
4. Выхлоп. Когда давление немного превышает давление на стороне нагнетания, выпускной клапан открывается, газ выходит, а сепаратор масляного тумана улавливает капли смазки до их выхода.

Как глубоко это достигает

Глубина зависит от этапов. Одноступенчатая машина с масляным уплотнением обычно достигает нижнего предела около 0,1 мбар абсолютного давления, тогда как двухступенчатая конструкция, в которой выхлоп первой ступени подает на вход второй, обычно достигает около 0,01 мбар. Обе фигуры поднимаются при открытом газобалласте. Скорость откачки для промышленных размеров составляет примерно от 10 до 1500 м³/ч, что соответствует диапазону грубого и нижнего среднего вакуума, в котором фактически происходит большинство промышленных процессов.

Почему нефть так важна

В масляных конструкциях дозируемое масло выполняет сразу три работы. Он герметизирует зазоры микрометрового масштаба между кончиками лопастей и корпусом, без которых насос никогда не сможет создать глубокий вакуум. Он смазывает постоянный скользящий контакт, который в противном случае мог бы разрушить лопасти. И он защищает внутренние поверхности от коррозии из-за влаги, поступающей с газом. Масло разработано для низкого давления паров, поскольку обычная смазка испаряется в глубоком вакууме и нарушает предельное давление. Именно из-за этой чувствительности состояние масла является лучшим способом быстрой проверки работоспособности машины: масло молочного цвета указывает на попадание воды, а темное масло с зернистостью указывает на наличие загрязнений.

Газобалласт: очистка паров до их конденсации

Когда в процессе используется вода или растворители, эти пары могут конденсироваться во время сжатия, смешиваться с маслом и незаметно ухудшать как смазку, так и глубину вакуума. Газобалластный клапан решает эту проблему, впуская контролируемое количество воздуха в камеру сжатия перед выпуском, что удерживает парциальное давление пара ниже точки его конденсации, поэтому пары покидают насос в виде газа. Компромиссом является более высокое предельное давление, в то время как балласт остается открытым, поэтому многие операторы закрывают его в сухом режиме и открывают во время влажного цикла.

Ключевые компоненты и что происходит при их износе

Поскольку вся конструкция зависит от узких зазоров и чистого масла, список компонентов служит также картой технического обслуживания.

Конструкции с масляной смазкой и сухим ходом

Один и тот же механизм поставляется в двух философиях смазки, и от выбора зависит как цена, так и соответствие технологическому процессу. Насосы с масляной смазкой лучше уплотняют, достигают большей глубины и защищают свои лопасти сплошной масляной пленкой. В насосах с сухим ходом масло заменяется самосмазывающимися материалами лопастей, такими как ПТФЭ или графитовые композиты, допуская более низкий вакуум в обмен на поток чистого газа.

Одно предостережение применимо к обеим семьям. Машины с масляной смазкой могут пропускать следы паров масла обратно в резервуар при агрессивной работе, поэтому в чувствительных системах на входной стороне добавляют ловушку или фильтр. В машинах с сухой сушкой этот риск компенсируется более частым обслуживанием лопастей, что обычно является выгодной сделкой, если загрязнителем может быть само масло.

Где технология подходит, а где она достигает своих пределов

Сильные стороны и границы вытекают непосредственно из механики, поэтому карта приложения выглядит именно так:

• Упаковка пищевых продуктов: опускание камер для мяса, сыра и кофе под вакуумом или модифицированной атмосферой.
• Деревообработка и прижим на станках с ЧПУ: зажим листового материала на вакуумных столах смена за сменой
• Термоформование: притягивание нагретого пластикового листа к формам в быстрых циклах.
• Обслуживание систем отопления, вентиляции, кондиционирования и охлаждения: вакуумирование контуров достаточно глубоко, чтобы удалить влагу перед зарядкой.
• Лабораторные работы: дегазация, сушка и форсирование высоковакуумными насосами.

Ограничения одинаково механические. Запыленный газ разъедает кончики и корпус лопастей, поэтому фильтрация на входе обязательна в деревообработке и аналогичных отраслях. Тяжелые паровые нагрузки требуют либо рабочего газового балласта, либо конденсатора на входе, иначе масло быстро разлагается. Трение лопастей постоянно отводит тепло, поэтому температура окружающей среды и охлаждающая способность определяют потолок длительной работы. А ниже примерно 0,01 мбар начинают доминировать зазоры и давление паров масла, и здесь начинают преобладать другие технологии.

Как пластинчато-роторные и вакуумные насосы Рутса работают вместе

Пластинчато-роторные насосы и насосы Рутса дополняют друг друга больше, чем конкуренты. Вакуумный насос Рутса вращает два кулачка в форме восьмерки друг против друга, синхронизируясь с помощью распределительных шестерен, без внутреннего сжатия и масла в насосной камере. Он быстро перемещает большие объемы в диапазоне среднего вакуума, но требует наличия форвакуумного насоса, который очень часто является именно тем, где пластинчато-роторные машины зарабатывают себе на жизнь. В сочетании лопастной насос обеспечивает глубину, а насос Рутса обеспечивает скорость, и эта комбинация достигает рабочих точек, которых ни одна машина не может эффективно достичь в одиночку. Для более подробной информации посмотрите, как производительность вакуумного насоса Рутса сравнивается с производительностью пластинчато-роторного насоса.

Это сочетание является знакомой территорией для производителей, использующих обе технологии. Nantong Rongheng Environmental Equipment производит вакуумные насосы Roots для непрерывной работы, включая поставку высококачественных линий по производству санитарно-гигиенической бумаги, где вакуум обезвоживает бумажный лист круглосуточно.

Вакуумный насос Рутса для непрерывной работы с вакуумом Этот сухой вакуумный насос Рутса обеспечивает скорость потока от 0,6 до 713,8 м³/мин и уровень вакуума в сухом состоянии -49 кПа или влажным -68 кПа. Он подходит для непрерывного использования, например, для производства папиросной бумаги, где в предыдущем разделе описано круглосуточное вакуумное обезвоживание бумажного листа. Посмотреть продукт →

Тот же принцип лопастей, работа в режиме воздуходувки

Лопастной механизм также работает в противоположном направлении: работа под давлением вместо вакуума. В ротационно-лопастном нагнетателе один и тот же эксцентриковый ротор и скользящие лопасти сжимают воздух до умеренного манометрического давления и подают его стабильно, с низкой пульсацией и сравнительно низким уровнем шума. Этот профиль подходит для аэрации очистки сточных вод и пневматической транспортировки низкого давления и контрастирует с воздуходувками Рутса, которые предпочитают более высокий поток с большей пульсацией. Если вы хотите подробно описать механику, наша статья о том, как роторно-лопастной нагнетатель создает воздушный поток, шаг за шагом описывает ее.

Роторный лопастной вентилятор для аэрации низкого давления После обсуждения режима работы по давлению со скользящими лопастями этот вентилятор обеспечивает устойчивый воздушный поток с низкой пульсацией до 49 кПа и шумом ниже 60 дБ. Скорость вращения 500 об/мин и умеренная пропускная способность делают его хорошо подходящим для аэрации при очистке сточных вод и аналогичных задач транспортировки при низком давлении. Посмотреть продукт →

Определение и запуск: практический контрольный список

Независимо от того, покупаете ли вы первый насос или проверяете уже установленную базу, большую часть удовлетворения определяют несколько пунктов:

1. Подберите скорость откачки в соответствии с объемом камеры и целевым временем откачки. Откачка происходит по экспоненциальной кривой, поэтому последнее десятилетие давления занимает непропорционально больше времени, чем первое. Размер по всей кривой, а не средний.
2. Судите о рабочей точке, а не о предельном давлении, указанном в таблице данных. Насос, рассчитанный на давление 0,1 мбар, не выдержит этого значения при открытом газовом балласте или при наличии реальной нагрузки технологического газа.
3. Защитите насос от процесса. Запланируйте входную фильтрацию от пыли и либо рабочий газовый балласт, либо входной конденсатор от паров.
4. Бюджет на расходники. Замена маслоотделителя и сепаратора тумана обычно занимает от нескольких сотен до нескольких тысяч часов работы, что обусловлено нагрузкой паров и загрязнений, и их растяжение — самый быстрый путь к изношению лопастей.
5. Проверьте путь охлаждения. Трение лопастей постоянно отводит тепло, поэтому температура окружающей среды, вентиляция и рубашки водяного охлаждения влияют на срок службы масла и достижимое давление.

По сути, именно так работает пластинчато-роторный вакуумный насос: простая механическая идея: скользящие лопасти, вращающиеся вокруг эксцентрикового ротора, преобразуют вращение в сжатие с помощью удивительно небольшого количества движущихся частей. Простота объясняет как его долговечность на упаковочных заводах, в мастерских и лабораториях, так и его привычку незаметно служить в качестве опорной ступени для гораздо более крупных вакуумных систем. Когда потребность перерастает в более глубокий вакуум, более высокую пропускную способность или строго безмасляный газ, соседние технологии, такие как вакуумные насосы Рутса и лопастные нагнетатели, охватывают соседние диапазоны, и решение, определяющее все остальное, остается согласование машины с реальным рабочим давлением.