Czas odpompowywania jako kryterium zastosowania Roots’a

W czasie projektowania systemu próżniowego niejednokrotnie należy dobrać pompę próżniową lub zestaw pomp próżniowych, tak by były zdolne do obniżenia ciśnienia w komorze i instalacji w określonym czasie. W ośrodkach badawczych lub laboratoriach czas ten nie jest tak ważny, jak w warunkach produkcyjnych, gdzie czas trwania procesu jest ściśle powiązany z kosztem produkcji. Dodatkowo, koszt budowy i eksploatacji systemu próżniowego musi być również brany pod uwagę. Pompy próżniowe o dużej wydajności mogą zredukować czas odpompowywania, ale są znacznie droższe. Dlatego tak ważne jest, aby zachować równowagę pomiędzy parametrami pompy, a kosztami zakupu i eksploatacji całego systemu próżniowego.

Istnieją dwie proste metody do oceny czasu odpompowywania: dla rotacyjnych łopatkowych lub tłokowych pomp próżniowych oraz dla większych objętości systemu, gdzie należy zastosować pompy Roots’a.

Obie metody dadzą bardzo prawdopodobne wyniki pod warunkiem, że będą zastosowane w przypadku prostych systemów próżniowych, gdzie pompa próżniowa jest zamontowana blisko komory próżniowej, a komora jest pusta.

Obliczanie czasu odpompowywania dla łopatkowej lub tłokowej pompy próżniowej

Uproszczony wzór na obliczanie czasu odpompowywania jest prosty:

T = (V / S) x F

gdzie:

T – czas,

V – objętość,

S – prędkość odpompowywania,

F – współczynnik odpompowywania określony na poniższym wykresie.

obliczanie-czasu-odpompowywania

Przebieg wykresu prędkości odpompowywania w zależności od ciśnienia dla rotacyjnych, łopatkowych lub tłokowych pomp próżniowych jest w stosunkowo płaski do momentu osiągnięcia ciśnienia ok. 15-50 mbar (konkretna wartość zależy od typu, modelu i producenta pompy próżniowej). Następnie występuje spadek, ponieważ pompa traci swoją skuteczność w niższych ciśnieniach.

W bardziej skomplikowanym wzorze, zamiast współczynnika odpompowywania, występuje logarytm naturalny ilorazu ciśnienia początkowego (dzielna) i ciśnienia końcowego (dzielnik).

mh

Wykorzystując ten wzór możemy obliczyć czas odpompowywania (T) do osiągnięcia próżni na wymaganym poziomie, nawet jeżeli konieczne jest zastosowanie pompy dwustopniowej. Wzór ten pozwala w miarę prawidłowo obliczyć czas odpompowywania, przy założeniu, że mamy czystą, prostą komorę próżniową i krótką instalację pomiędzy komorą i pompą.

W rzeczywistych warunkach produkcyjnych, czas odpompowywania będzie się różnił. Jest to spowodowane ograniczeniami przepływu, odgazowywaniem powierzchni, nieszczelnościami oraz stratami przewodności w próżni. Te czynniki sprawiają, że czas odpompowywania będzie niższy niż obliczony.

Obliczanie czasu odpompowywania dla zestawu pompy próżniowej i Roots’a

Inną opcją do odpompowywania większych objętości jest zastosowanie boostera, jako dodatku do pompy rotacyjnej. Kombinacja tych dwóch pomp doskonale sprawdza się ze względu na fakt, że booster (zwany też dmuchawą) charakteryzuje się bardzo dużą prędkością odpompowywania na poziomie próżni, gdzie para wodna odparowuje z powierzchni systemu i jednocześnie redukuje ciśnienie w komorze próżniowej.

charakterystyka-rootsa

Charakterystyka Roots’a firmy Aerzen model GM 1000

Do odpompowywania komór próżniowych, Roots wymaga zastosowania mechanicznej pompy próżniowej do wytworzenia wstępnej próżni.

Średni stopień sprężania Roots’a, w zależności od ciśnienia, wynosi ok. 10-70: 1. Nie jest to wystarczające do samodzielnego wytworzenia próżni rzędu np. 1-10 mbar. Ciśnienie atmosferyczne 1013 mbar podzielone przez współczynnik 20, który w praktyce jest już i tak wysoki, da w wyniku jedynie 50 mbar. Kombinacja dwóch pomp jest idealna, ponieważ Roots posiada bardzo wysoką prędkość odpompowywania, a mechaniczna, olejowa pompa rotacyjna posiada znacznie wyższy stopień sprężania, w zależności od osiągalnego ciśnienia końcowego na poziomie ok. 2.000-50.000: 1. Takie połączenie pozwala na osiągnięcie szybkiego czasu odpompowywania wraz z osiągnięciem niskiego poziomu ciśnienia.

Prędkość odpompowywania zmienia się w zależności od ciśnienia. Boostery są wykorzystywane w odpompowywaniu dużych objętości, ponieważ posiadają największą prędkość odpompowywania w zakresie od 50-10 mbar (w zależności od producenta i modelu) do ok. 0,01 mbar. W tym zakresie próżni, para wodna będzie uwalniać się z powierzchni komory próżniowej i konieczne jest jej szybkie usunięcie z systemu.  Ciśnienie pary wodnej, nasyconej w temperaturze 20oC, wynosi 23,4 mbar, a więc w zakresie najwyższych prędkości odpompowywania.

Ze względu na to, że funkcją Roots’a jest również usunięcie pary wodnej, to silnik elektryczny napędzający dmuchawę jest dobierany tak, by móc sprawnie pracować w tym zakresie obciążeń.  Oznacza to, że Roots nie jest uruchamiany, dopóki ciśnienie w komorze próżniowej nie będzie na tyle niskie, żeby nie spowodować przeciążenia silnika elektrycznego. Wykonuje się to na jeden z trzech sposobów:

  1. Stosowanie włącznika ciśnieniowego, który uruchamia Roots’a przy odpowiednim ciśnieniu
  2. Stosowanie sprężynowego zaworu obejściowego do recyrkulacji gazu
  3. Zastosowanie sprzęgła hydrodynamicznego, które wyłącza napęd przy wyższych ciśnieniach.
charakterystyka-pompy-pneumofore

 Charakterystyka pompy Pneumofore UV16-22kW z dmuchawą Roots 5,5kW

Ze względu na przebieg wykresu prędkości odpompowywania Roots’a, w zależności od ciśnienia, wzór na czas odpompowywania wygląda następująco:

T = 2.3 x (V / S) x log10 (P1 / P2)

gdzie

T – czas odpompowywania,

V – objętość,

S – prędkość odpompowywania,

P1 i P2 – ciśnienie początkowe i końcowe.

W tym przypadku, ponieważ prędkość odpompowywania zmienia się, należy kalkulować czas w poszczególnych przedziałach ciśnienia potęgi 10 na wykresie. Formuła jest bardzo prosta, ponieważ log10 (P1 / P2) wynosi 1. Każde P1/P2 = 10 i log10 (10) = 1.

W wyniku tego otrzymaliśmy wzór T = 2.3 x (V / S) dla każdego zakresu pomiędzy 1000mbar i 100 mbar, 100 mbar i 10 mbar, 10mbar i 1mbar, 1mbar i 0,1mbar. Wystarczy do wzoru podstawić średnią prędkość odpompowywania w każdym zakresie i otrzymamy czasy cząstkowe zakresów.

Zsumowanie czasów cząstkowych określi całkowity czas odpompowywania od ciśnienia atmosferycznego do 0,1mbar.

Powyższe dwa wzory mogą być wykorzystywane do określenia czasu odpompowywania z komory próżniowej i instalacji i pozwalają konstruktorowi na dobór różnych kombinacji pomp próżniowych do próżni wstępnej i dmuchaw Roots’a. Należy jednak pamiętać, że rzeczywiste warunki odbiegają od idealnych, komory próżniowe mogą posiadać wewnątrz uchwyty, charakteryzować się nieregularnym kształtem, a dużo zależy również od średnic instalacji i odległości od pomp. Zbyt małe średnice mogą znacznie obniżyć czas odpompowywania ze względu na spadek przewodności próżni. Jeżeli chcemy ograniczyć prędkość odpompowywania dużych objętości do próżni na poziomie 1 – 0,01mbar, warto zastosować dmuchawę Roots’a ze wspomagającą pompą rotacyjną. Taka kombinacja nie tylko przyspieszy odpompowywanie systemu próżniowego, ale też ograniczy koszty inwestycji i eksploatacji systemu.