Вакуумна техника

В настоящата статия списание Инженеринг ревю представя основните механизми на действие и принципи на вакуумната техника, като се разглеждат някои продукти и продуктови групи, които се предлагат на световния и местния пазар.

Акцент в статията са и ключовите индустрии, които значително допринасят за развитието на вакуумната техника днес. И не на последно място, ще бъде разгледано бъдещото развитие на вакуумната технология, тенденциите, които се наблюдават на пазара, и ползите от тези тенденции за произвеждането на все по-иновативни вакуумни технологии.

Bъв вакуумната технология всички процеси и физически измервания се извършват в условия на атмосферно налягане под нормалното.

Процес или физическо измерване обикновено се извършва във вакуум поради една от следните причини: за да се отстранят съставки на атмосферата, които биха могли да причинят физична или химична реакция по време на процеса (например вакуумно стопяване на реактивни материали като титан), за да се промени състояние на равновесие, което съществува при нормални условия в помещението (например отстраняване на разтворен газ или летлива течност от други материали, и по-конкретно дегазиране на нефт, лиофилизация, или десорбция на газове от повърхности, например за почистване на тръби за свръхчестоти и линейни ускорители в производството), както и за да се увеличи пространството, което една частица трябва да измине, преди да се сблъска с друга, като по този начин частиците могат да се движат, без да се сблъскват (примери са вакуумното нанасяне на покрития, ускорителите на частици, електроннолъчевите тръби).

Друга причина е намаляването на броя на молекулните сблъсъци в секунда, което намалява вероятността от замърсяване на повърхности, които са разработени във вакуум.

За първи път вакуумната технология се използва в индустрията в началото на 20 в. в производството на електрически осветителни тела. Впоследствие вакуумната технология преминава в други приложения като различните видове електронни лампи, за да навлезе в редица индустрии днес.

На пазара е налично разнообразно вакуумно оборудване – ежекторни системи, вакуумни помпи с воден пръстен, сухи вакуумни помпи, кондензатори с вакуумен принцип на действие. Тези системи не са взаимозаменяеми, тъй като изискванията за всеки тип производство са различни.

При избора на вакуумна техника е необходимо да се обърне внимание на фактори като капиталовложения, комунални плащания, въздействие върху околната среда, монтаж и поддръжка. И в крайна сметка, за да се избере правилното вакуумно решение, е необходимо потребителите да са ясно запознати с всички възможности.

Ежекторни системи
Според експертите ежекторните системи са най-високоефективното вакуумно оборудване от гледна точка на капацитета и те имат най-опростен дизайн. Потребителите биха могли да избират между едностъпални ежектори, многостъпални ежектори без кондензатор, ежектори, използващи пара за задвижване, ежекторни системи със задвижване чрез органична течност, ежектори в комбинация с вакуумни помпи с воден пръстен, критични и некритични ежектори.

Ежекторите произвеждат вакуум чрез разширяване на задвижващата течност под високо налягане, като тя се пропуска през стесняваща/разширяваща се дюза. В резултат енергията от налягането се превръща във висока скорост. След това движещата се с висока скорост течност се смесва с технологичния газ в смесителна камера.

Потокът от смесен газ преминава през стесняващ се/разширяващ се дифузер, което създава ударна вълна в критичните ежектори и скоростта се превръща обратно в енергия на налягане. Поради настъпилото компресиране абсолютното налягане на изхода в резултат е по-високо от това на входа.

Критичен поток настъпва, когато съотношението на компресиране (налягането на изхода, разделено на смукателното налягане) е приблизително 2:1 или по-високо. Обикновено ежекторните системи поддържат конкретно вакуумно състояние, докато изхвърлят некондензиращи газове с налягане, което е на нивото на това на атмосферното налягане или по-високо.

Обемни вакуумни помпи
Принципът на действие на обемните вакуумни помпи е следният: носещият се в пространството въздух механично се спира, компресира и изхвърля. Това позволява да се достигне много висок вакуум при нисък дебит. В зависимост от приложението въздухът или се пренася в поток от работно колело в смукателната страна, или е компресиран в камера.

Сред предлаганите на пазара обемни вакуумни помпи са вакуумните машини тип blowers и вакуумните компресори. Основни характеристики на обемните помпи са ниското тегло и компактният корпус, а също така възможността за монтирането им във всякаква позиция. Наред с това, работното налягане във висок вакуум на обемните помпи е до -0,98 bar.

Кинетични вакуумни помпи
Кинетичните вакуумни помпи работят на следния принцип: въздухът се насочва в посока към изхода чрез прилагане на допълнителна механична сила. Чрез този метод се достига сравнително ниско вакуумно ниво въпреки високоефективното засмукване.

Основни характеристики на кинетичните вакуумни помпи са минималните разходи за поддръжка, големите размери и тегло, ограничените възможности за избор на позиция при монтиране, голям дебит и ниско ниво на вакуум. Кинетичните вакуумни помпи се използват главно за прецизни индустриални процеси.

Вакуумни помпи с воден пръстен
Във вакуумните помпи с воден пръстен се използва херметик за формиране на течен пръстен около корпуса. Водният пръстен се образува от центробежна сила, причинена от въртящо се работно колело. Около водния пръстен е монтирано работно колело с множество лопатки. Поради тази особеност размерите на зоната между лопатките на работното колело се увеличават и газът се засмуква.

С въртенето на лопатките на работното колело към изходната страна размерите на зоната се намаляват и газът се компресира. Също така, водният пръстен уплътнява луфтовете в помпата и поглъща генерираната при компресия, триене и кондензация топлина.

Сухи вакуумни помпи
На пазара са налични три основни типа сухи помпи – лобови помпи, винтови помпи и помпи със скоби (hook-and-claw). Всеки модел помпа има различни ползи и недостатъци. Някои помпи се предлагат само с радиално уплътнение, а други – с механично уплътнение. Също така, в някои модели са използвани лабиринтови уплътнения и продухване с азот.

Редица помпи от този тип трудно се разглобяват и не могат да бъдат разглобени в полеви условия за поддръжка или почистване. Тъй като сухите помпи се нагряват по време на работа, по вътрешните им механизми често се наслоява продукт. От друга страна, на пазара към момента не се предлагат сервизни течности, които да отстранят тези наслоявания от вакуумните помпи.

Поради множеството типове помпи, както и големите разлики между тях, специалистите препоръчват компаниите внимателно да обмислят коя е най-подходящата система за конкретното приложение.

Сухите помпи следва да се използват, когато е необходимо да се избегне замърсяване на парата, водата или работните течности, когато основна цел е възстановяването на разтвора или когато съществува изискване за ниски въглеродни емисии. Работата със суха помпа при процеси, свързани с корозия, също може да допринесе за значителни спестявания на разходи. Ако процесите включват пренос на течности, са необходими специални предпазни мерки.

Вакуумни кондензатори
Вакуумните кондензатори са сред най-ефективните вакуумни помпи от гледна точка на консумацията на енергия и цената. Основна задача на вакуумните кондензатори е да превръщат течностите в кондензат, преди те да навлязат във вакуумната система. Това намалява капиталовите и оперативните разходи по вакуумната система, включително за третиране на отпадъците, и възстановяват ценния продукт за повторна употреба.

Вакуумните кондензатори могат да бъдат с директен контакт или повърхностни. При кондензаторите с директен контакт охладителната течност влиза в пряк контакт с изпаренията, които ще бъдат кондензирани. При повърхностните кондензатори, обикновено от типа на кожухотръбните, кондензът възниква върху нагряваща се повърхност, която отделя изпаренията и конденза от охладителната течност. В кожухотръбните кондензатори кондензът се образува в тръбите или върху външните им повърхности.

Индустрии за развитието на вакуумните помпи
Вакуумните помпени технологии продължават да имат ключова роля в редица приложения в производството и индустрията като цяло. В частност, микроелектрониката, производството на плоски екрани, соларни инсталации и научни прибори допринасят за развитието на вакуумните технологии. Вероятно тази тенденция ще се запази в близко бъдеще.

Микроелектроника - намаляването на размерите на устройствата и увеличаването на размерите на полупроводниковите пластини са причина за голяма необходимост от вакуумни технологии поради нуждата от по-висока пропускливост на газовете и все по-голямото разнообразие на изходни материали и вторични продукти.

Този феномен вероятно ще продължи да засилва необходимостта от вакуумни технологии и по-големи помпи, прогнозират експертите. Наред с това, въвеждането на нови материали в производството на полупроводници от всевъзможни химични компоненти, както и новите физични процеси, сред които отлагането на атомни слоеве, създават нови предизвикателства пред помпите, на които производителите е необходимо да отговорят.

Производство на плоски екрани - поради все по-широкото използване на големи телевизори с TFT-LCD матрици и плоски екрани се увеличава търсенето на помпи с по-големи размери. Най-новите производствени линии използват по 40 помпи за достигане на пропускливост от 2 милиона литра в минута за прибор.

Макар че тези помпи вече са удвоили размерите си, за да отговарят на изискванията в производството на плоски екрани, се наблюдава търсене на помпи с три или четири пъти по-големи размери.

Производство на соларни клетки - наред с изравняването на цените на слънчевата енергия с тези на стандартните енергийни източници, производството на соларни клетки се очертава като основен стимул за развитието на вакуумните технологии. По-конкретно, развитието на вакуумните технологии се насърчава от търсенето на по-големи помпи и помпи, които могат да работят с по-агресивни химикали.

Въпреки че към момента производството на соларни клетки води до по-голямо търсене на продукти, които вече се използват в производството на полупроводници, плоски екрани и в общи индустриални приложения, възникват и конкретни изисквания в производството на соларни клетки. Така например в еднокамерните помпи за отлагане на силан се налага да се намери баланс между изискванията за висок дебит на водорода и изключително висока устойчивост срещу корозия.

Научни прибори - приборите за масова спектрометрия, които са изключително търсени на пазара, също развиват вакуумните технологии. Това се дължи на факта, че пропускливостта на използваните в момента помпи е необходимо все повече да се увеличава.

Въпреки че размерите на корпуса на тези помпи остават приблизително същите, работната им скорост почти се е удвоила, а общата им пропускливост се е увеличила десетократно. Наред с това, цените на помпите също са по-ниски.

Бъдещи помпени технологии
Сред водещите тенденции в развитието на вакуумните технологии са:
Скорост на вала - проводимостта на турбомолекулярните помпи се определя от скоростта на вала и скоростта на молекулите. Ефективността на турбомолекулярните помпи се ограничава преди всичко от максималната скорост, която лагерите и роторът могат да издържат.

Индустрията търси нови материали, които са по-леки и по-здрави, за да издържат на по-високата скорост. Въпреки че този тип помпи може да не се справят с по-тежките газове от гледна точка на проводимостта, при работа с по-леки газове като водород ефективността им е висока.

Управление на мощността на помпите - по-новите сухи помпи на пазара вече използват по-високи съотношения на вместимостта, за да достигнат по-ниска мощност при по-ниски налягания. Претоварването на системата, предизвикано от това обаче, трябва да бъде управлявано при високи налягания на засмукване.

За да се предотврати претоварването на системите, електронните компоненти биха могли да ограничат мощността и да забавят помпата при високи налягания. Това обаче е за сметка на скоростта на изпомпване.

Друго решение е да се монтира разтоварващ клапан в механизма, което запазва скоростта на помпата. Когато се реши проблемът с претоварването поради високото налягане, вместимостта на помпите ще се увеличи, наред с консумацията на енергия, и така бъдещите помпи ще имат все по-висока вместимост.

Компютърно моделиране на вакуумни помпи - вече могат да се използват компютри за прецизно моделиране вместимостта на вакуумните камери, проводимостта на тръбите, изпускането на газове от стените и смукателната сила на помпата.

Възможно е също така да се прогнозира дебитът в различни режими, сред които турбулентен, ламинарен, преходен и молекулярен. Когато всички тези прогнозни стойности се обединят, е възможно предвиждането на работата на вакуумните системи.