Кігтьові вакуумні насоси

При роботі кігтьових вакуумних насосів всмоктувальна та вихлопна лінії не забруднюються механічними частинками, а також масляним вихлопом. Тому ці насоси можна застосовувати там, де пред'являються особливі вимоги до чистоти середовища та обладнання. Конструкція кігтьових насосів передбачає високу продуктивність, що дозволяє швидко відкачати газ навіть із великої ємності. Широко використовуються у будь-яких процесах, де речовини виходять методом крекінг-процесу.

Кігтьові вакуумні насоси отримали свою назву завдяки загостреній формі робочого органу – кігтеподібного кулачка. Винахід кігтьового принципу стиснення повітря пов'язане з роботою британської фірми Northey Technologies у 1930-ті роки. Однак широке поширення кігтьових вакуумних насосів почалося лише на початку 2000-х років завдяки зусиллям німецьких фірм Busch та Elmo Rietschle. Вони підняли рівень виконання та надійності цих насосів на новий рівень. До того ж збільшення обсягів виробництва позитивно позначилося на зниженні ціни, хоч і до цього дня кігтьові вакуумні насоси залишаються відносно дорогим обладнанням.

У 2010-х роках кігтьові насоси почали виробляти італійські фірми DVP, Aglient, корейська фірма Wonchang. Чи не за горами поява китайських виробників.

Кігтьові вакуумні насоси хороші тим, що не вимагають ремонту і періодичної заміни деталей, що зношуються. Кулачки-кігті під час обертання в робочій камері не торкаються один одного або стінок насоса і відповідно не підлягають зносу. Все обслуговування зводиться до заміни олії в коробці, що синхронізує. В даний час ринок кігтьових насосів знаходиться в стадії бурхливого розвитку, вони активно витісняють деякі інші типи вакуумних насосів, зокрема безмасляні пластинчасто-роторні вакуумні насоси.

Принцип дії та принципова схема пристрою

2.1 Принцип роботи

Кігтьові насоси належать до пристроїв об'ємного типу. У робочій камері насоса знаходяться два кулачки, які називають «кігтями» через відповідну формулу профілю. Ця форма дозволяє досягти мінімальних зазорів, що дотримуються при обертанні кожного з кулачків, тому обертання відбувається без будь-якого тертя між основними робочими частинами насоса. Всмоктування газу проводиться через спеціальний канал, потім газ потрапляє в так звану зону концентрації потоку, що нагадує формою вирву. Завдяки цьому елементу навіть розріджені гази прискорюються підвищення ефективності роботи. Потім газ надходить у вакуумну камеру. Кулачки, обертаючись, згрібають порції цього газу з камери, після чого він переміщається до зони нагнітання між цими елементами.

А – вхідний отвір відкритий, В – вхідний отвір закритий, С – вихідний отвір відкритий, D – вихідний отвір закритий (набирається нова порція середовища)

Коли тиск досягає певної міри – відкривається вихлопний отвір. Тип стиснення у цих насосах – так званий «внутрішній», тому що процес відбувається лише між робочими елементами без безпосередньої участі корпусу. Це дозволяє досягти дуже високого ККД, адже кількість переходів газу між різними порожнинами мінімальна. Виведення потоку газу здійснюється через нагнітальний патрубок. Перед тим, як вийти за межі насоса, газ може проходити між корпусом насоса та багатошаровим кожухом, що суттєво знижує температуру вихлопу.

2.2 Принципова схема пристрою

Основою кігтьового вакуумного насоса, як будь-якого іншого апарату об'ємного типу - це корпус. Його товщина невелика, тому що навантаження на стінки насоса мінімальне. Цьому сприяє зворотний клапан, який не допускає впливу вакууму з ємності, що відкачується на елементи насоса. Якщо рівень вакууму максимальний, то насос, залежно від моделі, або відключається, або працює вхолосту, сигналізуючи про те, що досягнуто певного заданого значення. Вхідний патрубок може прикріплюватися до ємності будь-яким способом, який відповідає технічним умовам експлуатації насоса. Спосіб залежить від виробника, від самої ємності чи трубопроводу. При установці насоса варто враховувати, що при відкачуванні тиск буде здійснюватися також і на трубопровід, тому труба повинна бути достатньо товстостінною, щоб витримати тиск атмосфери.

Мал. 4 – Робоча частина насоса – пазурі різної форми.

Через патрубок середовище, що відкачується, проходить канал, який зазвичай проточений в посиленій частині корпусу. У момент відкриття клапана він зазнає навантаження від тиску атмосфери. Через стиск газу, особливо на початковому етапі відкачування, корпус може сильно нагріватися, тому він може бути забезпечений спеціальними ребрами, що відводять тепло. З каналу середовище захоплюється пазурами, які практично відразу ж стуляються, а потім простір між ними починається скорочуватися, за рахунок чого утворюється зона підвищеного тиску щодо резервуара, з якого проводиться відкачування.

Далі обертальним рухом пазурів стислий об'єм супроводжується у бік отвору вихлопного патрубка. Сам патрубок може відразу виходити в трубопровід, або може проводитися додаткове охолодження в змійовику, який оперізує корпус насоса в кілька обертів. Така міра особливо ефективна для агресивних середовищ, що відкачуються, які істотно збільшують свою деструктивну дію при додатковому нагріванні.

Конструктивною особливістю кігтьових вакуумних насосів є те, що не всі моделі мають зворотний хід. Все залежить від форми пазурів.

Переваги кігтьових вакуумних насосів

• Завдяки тому, що по ходу руху середовища, що відкачується, в насосі не зустрічаються тертьові поверхні, можна видаляти за допомогою цих апаратів вибухонебезпечні гази.
• Кулачки-кігті насосів пропускають плавне регулювання продуктивності, тому такі насоси можна використовувати для імітації найрізноманітніших умов у лабораторіях.
• Мають колосальну витривалість і можуть працювати без потреби в ремонті набагато довше за гарантійний термін, заявлений виробником.
• Мають компактні розміри.
• Кігтьові вакуумні насоси відносять до так званих безмасляних насосів. Це означає, що їх конструкція не допускає проникнення частинок ПММ, необхідних для роботи апарату, в середу, що відкачується. Тому їх можна використовуватиме отримання хімічно чистих речовин.
• Усередині цих насосів ймовірність появи механічного сміття дорівнює нулю, тому що між кігтьовими кулачками є мікро зазори.
• Висока стабільна продуктивність. Факторів, які можуть знизити її, в рамках умов експлуатації немає.
• Невелика енергоємність та високий (від 70 до 85% ККД). У той час як ККД пластинчасто-роторних насосів становить від 55 до 85%.
• Корпус насоса повністю газонепроникний, тому може бути частиною герметичної системи для складних хімічних реакцій.
• Можлива точна синхронізація кількох кігтьових вакуумних насосів для швидкого відкачування до заданого значення вакууму дуже великих резервуарів.
• Вакуум нагнітається рівномірно, без пульсацій.

Недоліки кігтьових насосів

• Через дрібні зазори між робочими частинами ці насоси надзвичайно чутливі до наявності твердих і липких частинок у середовищі, що відкачується. Може відбуватися заклинювання робочих елементів.
• Для відкачування певних газів потрібна система охолодження. І далеко не всі моделі насосів мають таку систему у базовій комплектації. Нагрів відбувається за рахунок стиснення газу, що відкачується.
• Висока точність виготовлення робить ремонт дуже складним, але при цьому підвищує експлуатаційні характеристики апарату. Тому можна вважати це як перевагою, так і недоліком.
• Мають сильні обмеження по діапазонах робочих температур через маленькі зазори між кігтовими кулачками, які може заклинити в результаті теплового розширення.