Средства защиты технологического объема от продуктов распада рабочих веществ

Очевидно, что в системе вакуумных установок необходимо наличие эффективных средств защиты рабочего технологического объема от влияния продуктов распада и паров рабочих жидкостей масляных средств откачки и технологических веществ. Для предотвращения проникновения паров рабочей жидкости в вакуумной системе используются ловушки, обеспечивающие эффективную конденсацию паров рабочей жидкости на элементах её конструкции. Имеется ряд конструкций ловушек адсорбционного типа на основе водяного охлаждения или жидким азотом, термосорбционные и др.

Об эффективности перечисленных типов ловушек можно судить по данным, приведенным в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Масляная ловушка представляет собой жалюзи, которые охлаждаются жидким хладагентом, например водой или жидким азотом. Эффективность ловушек тем выше, чем больше её оптичсская плотность и чем ниже температура поверхности жалюзи. Большая оптическая плотность масляных ловушек уменьшает скорость откачки рабочего объема.

В вакуумном технологическом оборудовании используется ловушка Мейснера, которая представляет собой лист тонкого проката меди или нержавеющей стали, на поверхности которого напаяна медная трубка. Хладагент (вода или жидкий азот) протекая по медной трубке охлаждает лист, который является адсорбирующей рабочей поверхностью для молекулярного масляного потока в камере. Ловушка размещается вдоль стенки внутри рабочей камеры Используемые механические форвакуумные масляные насосы также являются источниками генерации паров рабочих жидкостей (масел) в вакуумной системе. Для защиты форвакуумных линий и рабочего объема широко используются азотные ловушки вида рис. 1.4.

Рис. 1.4. Схема конструкции стеклянной азотной ловушки: 1 — жидкий азот; 2 — внутренний объем ловушки; 3 — наружный объем с откачными патрубками; 4 — патрубок, присоединяемый к насосу; 5 — патрубок, присоединяемый к объему.

Такие азотные форвакуумные ловушки охлаждаются жидким азотом для получения высокого вакуума в промышленных вакуумных системах и, как правило, снабжаются системами подпитки внутреннего объема ловушки жидким азотом.

Наряду с азотной форвакуумной ловушкой используются сорбционные ловушки. В объеме этих ловушек размещается набор сорбентов (например, цеолит, силикагель, активированный уголь), которые либо при нормальной температуре, либо при температуре жидкого азота сорбируюг пары рабочих жидкостей форвакуумного механического насоса. Встраиваются такие ловушки в вакуумную систему с использованием обводного канала, который позволяет на начальных стадиях осуществлять откачку, минуя ловушку (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Вакуумная система с обводным каналом: 1 — форвакуумный электромагнитный клапан; 2 — ловушка; 3 — клапан обводного канала.

В начале форвакуумной откачки в трубопроводах форвакуумной линии преобладает вязкостный режим. При этом поток откачиваемого газа в трубопроводе еще достаточно плотный, и он не пропускает пары рабочей жидкости насоса в объем, как бы смывая его обратно в насос. Как только в вакуумной системе достигается молекулярный режим, клапан обводного канала перекрывается, открываются электромагнитные форвакуумные клапаны, и дальнейшая откачка ведется через ловушку масляных паров.

Такая последовательность работы, с одной стороны, ускоряет процесс форвакуумной откачки, т.к. на первых стадиях ловушка нс оказывает сопротивления, и, с другой стороны, увеличивается промежуток времени до регенерации ловушки, поскольку в момент наибольшего выброса паров рабочей жидкости форвакуумного насоса (в начальный период откачки) она защищена перекрытым клапаном, и пары в нее не поступают. В более совершенных конструкциях такие ловушки снабжаются внутренним нагревателем для прогрева сорбирующих элементов в процессе регенерации и имеют встроенный сосуд Дьюара, позволяющий использовать ловушку при криогенных температурах.

Термосорбциопиая ловушка представляет собой цилиндрический охлаждаемый водой объем, на внутренней поверхности которого постоянно обновляется титановая пленка в результате испарения титана. Молекулярный поток паров масла, поступающий в ловушку, частично разлагаются на горячих частях ловушки и в процессе хемосорбции взаимодействуют с пленкой титана.

В ряде случаев используются ловушки, работающие с использованием крекинга паров рабочей жидкости на горячей поверхности с последующей откачкой более легких фракций с потоком управляемого из рабочего объема газа. Эти ловушки появились после того, как было замечено, что рабочая жидкость попадает в рабочий объем даже при отключенном форвакуумном насосе за счет миграции её молекул по стенкам трубопроводов.

Конструкция ловушки представлена на рис. 1.6. Здесь в качестве нагревательного элемента используется лампа с инфракрасным излучением.

Рис. 1.6. Ловушка с нагревом:

• 1 — корпус; 2, 5 — фланцы;
• 3 — изоляторы; 4 — нагреватель (лампа); 6 — гофрированный патрубок.

В первом случае гофрированный элемент нагревается до 400 °C, молекулы рабочей жидкости форвакуумного насоса, поступая на нагретую поверхность, разлагаются на более легкие фракции и затем увлекаются потоком откачиваемого газа в насос и удаляются из объема. Длина образующей гофрированного патрубка при этом может быть до 500 мм. Используя в качестве гофрированною патрубка титановый сильфом, можно эффективность ловушки повысить за счет хемосорбции части продуктов крекинга поверхностью нагретого титана.

В случае если для нагрева гофрированного патрубка используется инфракрасное излучение, дополнительно включается еще механизм фотодесорбции под действием света.

Магниторазрядные ловушки ранее использовались в вакуумном оборудовании как форвакуумные ловушки, схема которых представлена на рис. 1.7.

В процессе создания (откачки) вакуума с применением такой ловушки на её тарельчатый электрод 3 подается высокое напряжение ~ 1,5…2,0 кВ. В скрещенном электромагнитном поле между тарельчатым электродом 3 и корпусом 1 зажигается тлеющий разряд, в котором протекают процессы полимеризации.

Рис. 1.7. Схема магниторазрядной ловушки: 1 — корпус; 2 — постоянный электромагнит; 3 и 4 — высоковольтный электрод и ввод; 5 — продукты полимеризации; 6 — фланец.

паров форвакуумных масел. При этом образуются продукты полимеризации паров в виде сажи, которые оседают на дно ловушки и периодически удаляются.

Перспективным направлением в области защиты технологических объемов от проникновения в них паров и продуктов распада масел форвакуумных насосов является создание безмасляных форвакуумных насосов. Помимо совершенствования цеолитовых насосов имеется несколько направлений решения проблемы безмасляной форвакуумной откачки, например, разработка механических насосов с сухой смазкой, поршневых конструкции таких насосов, перистальтического действия и волновых.

Фирма «Alcatel» (Франция) пошла по пути создания турбомолекулярного насоса, способного работать, начиная от атмосферного давления. Этот путь может оказаться перспективным, поскольку он позволяет создать технологический объем по простейшей схеме: рабочее пространство — насос. Сокращение коммутационных элементов позволит повысить и надежность всего вакуумного агрегата.

Повышение надежности вакуумной системы достигается путем агрегатирования коммутационных элементов, разработкой блоков клапанов. Блочная конструкция позволяет сократить количество вакуумно-плотных стыков, уменьшить натекание и объемы внутренних паразитных полостей вакуумной системы.