Высоковакуумные диффузионные насосы серии НД представляют собой специализированное оборудование, предназначенное для создания и поддержания глубокого вакуума в герметичных технологических объемах.
Назначение и область применения насосов НД
Основная функция этих агрегатов заключается в эффективной откачке воздуха, различных газов, паров и парогазовых смесей, которые не проявляют агрессивности по отношению к конструкционным материалам насоса и используемой рабочей жидкости. Критическим требованием к откачиваемой среде выступает отсутствие капельной влаги и механических включений, способных нарушить работу прецизионных элементов насоса.
Эксплуатация насосов НД всегда осуществляется в паре с форвакуумными насосами, которые создают необходимые условия на выпуске для корректной работы диффузионной ступени. Такая конфигурация широко применяется в стационарных технологических установках различных отраслей промышленности.
Насосы обеспечивают получение предельного остаточного давления на уровне 2,25×10⁻⁷ мм рт. ст. при быстроте действия, достигающей для старших типоразмеров 45000 л/с. Данные характеристики делают их незаменимыми в процессах вакуумной металлургии, нанесения тонкопленочных покрытий, производства полупроводниковых структур, в установках ионной имплантации и химического осаждения из газовой фазы.
Насосы НД позиционируются как усовершенствованная альтернатива серии НВДМ. Отличия проявляются в расширенном диапазоне рабочих давлений в области низкого вакуума и улучшенных показателях наибольшего выпускного давления. Выпускаемый параметрический ряд охватывает типоразмеры с диаметром условного прохода от 250 до 1000 мм.
Климатическое исполнение УМ 4 и О 4 по ГОСТ 15150-69 определяет возможность использования оборудования в условиях умеренного и холодного климата, однако регламентированный диапазон температур окружающего воздуха уже от плюс 10 °C до плюс 45 °C.
Температура охлаждающей воды на входе должна находиться в интервале от плюс 4 °C до плюс 25 °C. Отнесение насосов к категории оборудования, не предназначенного для пожаровзрывоопасных производств, накладывает ограничения на сферу их применения.
Конструктивные особенности и принцип действия
Работа диффузионного паромасляного насоса НД базируется на физическом принципе захвата и направленного переноса молекул откачиваемого газа струей пара рабочей жидкости. В процессе нагрева масло в кипятильнике испаряется, и пары поднимаются по центральному паропроводу к системе сопел.
- Истекая из щелевых зазоров сопел в направлении выходного патрубка, паровая струя достигает сверхзвуковой скорости. Молекулы газа, диффундирующие в эту струю, получают импульс от более тяжелых молекул масляного пара и увлекаются в направлении форвакуумного патрубка.
- Конструктивно насосы НД выполнены в цилиндрическом зигованном корпусе. Зиговка обеспечивает дополнительную жесткость и эффективный теплообмен. Внутреннее пространство содержит паропровод с многоступенчатой системой сопел, систему нагрева рабочей жидкости и маслоотражатель. Многоступенчатая конструкция паропровода позволяет последовательно сжимать откачиваемый газ, повышая эффективность работы в широком диапазоне давлений.
- Пары масла конденсируются на охлаждаемых стенках корпуса, стекают вниз и возвращаются в кипятильник, обеспечивая замкнутый цикл рабочей жидкости. Оптимально рассчитанная геометрия насосов гарантирует высокие удельные характеристики.
Ключевым отличием насосов НД от предшествующих моделей является наличие нескольких нагревателей. В зависимости от типоразмера их количество варьируется от 2 для НД-250 до 24 для НД-1000.
Это инженерное решение повышает надежность оборудования, так как выход из строя одного нагревательного элемента не приводит к остановке процесса. Сохраняется стабильность технологического цикла за счет возможности продолжения работы на оставшихся нагревателях. Конструкция нагревателей обеспечивает быстрый выход насоса на рабочий режим. Для насосов младших типоразмеров (НД-250) время выхода на режим составляет 25 минут, для наиболее производительных НД-1000 этот показатель увеличивается до 45 минут.
Важным эксплуатационным преимуществом является легкость замены вышедшего из строя нагревателя, которая не требует полной разборки насоса и его извлечения из технологической линии.
- В выходном патрубке насоса предусмотрен маслоотражатель. Его функция заключается в снижении миграции высоковакуумного масла в форвакуумный насос. Это защищает механический насос от загрязнения и снижает потери дорогостоящей рабочей жидкости.
- Конструкция маслоотражателя, работающего совместно с системой водяного охлаждения, эффективно конденсирует масляные пары, возвращая их в систему. Благодаря высокой компрессионной способности диффузионных ступеней насоса, требования к быстроте действия форвакуумного насоса значительно снижены.
- Например, для насоса НД-250 необходимая быстрота действия форвакуумного агрегата составляет не менее 11 л/с, а для НД-500 42 л/с.
Это обстоятельство позволяет использовать менее мощное и дорогостоящее вспомогательное оборудование.
Инженерная инфраструктура и условия эксплуатации
Эффективная и безопасная работа насосов НД требует создания специализированной инженерной инфраструктуры в помещении. Система электропитания должна обеспечивать подачу переменного тока напряжением 380 В и частотой 50 Гц, с соблюдением норм качества электроэнергии по ГОСТ 32144-2013. Отдельные нагреватели подключаются к фазным проводам, и для защиты цепей необходимо предусмотреть автоматические выключатели, соответствующие мощности нагревателей.
Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала требуется заземление корпуса с переходным сопротивлением между болтом заземления и кожухом не более 0,1 Ом, а электрическое сопротивление изоляции цепей должно выдерживаться на уровне не менее 0,5 МОм.
Критически важным элементом является система водяного охлаждения. Вода должна подаваться под давлением от 0,3 до 0,5 МПа (3–5 кгс/см²) с температурой на входе от плюс 4 °C до плюс 25 °C. Качество воды должно соответствовать ГОСТ Р 51232-98. В зависимости от типоразмера насоса, расход воды на охлаждение корпуса может составлять от 160 л/ч для НД-250 до 1500 л/ч для НД-1000. Отдельный контур охлаждения маслоотражателя требует значительно меньшего расхода порядка 20–150 л/ч, в зависимости от модели. Слив охлаждающей воды должен быть организован свободно, с разрывом струи, чтобы исключить противодавление в охлаждающей рубашке.
Эксплуатация насоса без включенного водяного охлаждения категорически не допускается, так как это приводит к перегреву корпуса и рабочей жидкости, деградации масла и выходу оборудования из строя. Температура воды на выходе не должна превышать плюс 40 °C, что свидетельствует о достаточной эффективности теплоотвода.
Рекомендуется оснащать систему водяного охлаждения расходомерами для каждой ветви (к корпусу и к маслоотражателю), а на сливных магистралях устанавливать датчики контроля температуры воды. На второй снизу виток трубки охлаждения корпуса рекомендуется монтировать термовыключатель на медной пластинке. При возникновении аварийной ситуации в системе охлаждения и повышении температуры на трубке до 50 °C, термовыключатель должен инициировать отключение нагревателей и отправить сигнал тревоги на пульт управления.
Также в конструкцию насоса входит гнездо для установки термопреобразователя для контроля температуры рабочей жидкости. При рабочем режиме температура масла составляет 240–255 °C. При потере рабочей жидкости и неконтролируемом росте температуры до 320–360 °C (в зависимости от модели) датчик температуры должен автоматически отключать нагреватели с блокировкой автоматического перезапуска.
Условия безопасности при эксплуатации
В процессе работы наружные поверхности насоса нагреваются до температуры от плюс 60 °C до плюс 80 °C. Для предотвращения термических ожогов, если оборудование расположено в зоне основных проходов или в непосредственной близости от места обслуживания, оно должно быть снабжено защитными ограждениями или тепловой изоляцией.
Температура изолирующих поверхностей при этом не должна превышать плюс 45 °C. Требования к организации выхлопных линий для форвакуумных насосов и наличие сливной магистрали должны быть выполнены в соответствии с проектной документацией, чтобы обеспечить отвод откачанных газов и отработанной охлаждающей воды без угрозы для окружающей среды и обслуживающего персонала.
Техническое обслуживание и контроль рабочих параметров
Техническое обслуживание насосов НД проводится при полном отключении оборудования от электрической сети. Цель ТО поддержание насоса в состоянии постоянной технической готовности. Для насосов, эксплуатируемых по прямому назначению или находящихся на хранении не более трех месяцев, предусмотрены регламентированные виды обслуживания.
- В процессе эксплуатации контроль рабочих параметров осуществляется с помощью штатных средств. Смотровое стекло предназначено для визуального контроля уровня рабочей жидкости, который должен находиться между минимальной и максимальной отметками.
- Уровень масла в нормальном режиме практически не меняется, однако его падение является сигналом о возможной утечке или повышенном уносе масла и требует немедленного вмешательства. При первоначальной заливке или доливе рекомендуется использовать масло "VACMA OIL 500", удовлетворяющее требованиям ТУ 19.20.29-061-00218526-2019, или аналогичное вакуумное масло, подходящее для высокотемпературных диффузионных насосов.
Параметрический ряд и основные характеристики
Насосы НД представлены широкой размерной линейкой, охватывающей потребности различных технологических процессов. Типоразмерный ряд включает модели НД-250, НД-400, НД-500, НД-630, НД-800 и НД-1000. Каждому типоразмеру соответствует определенная быстрота действия по воздуху, определяющая производительность откачки. Для модели НД-250 этот показатель составляет 2700 л/с при давлении 7,5×10⁻⁵ мм рт. ст.
По мере увеличения типоразмера производительность растет: НД-400 обеспечивает 7200 л/с, НД-500 10800 л/с, НД-630 18000 л/с, НД-800 27000 л/с, а флагман серии НД-1000 достигает быстроты действия 45000 л/с.
Предельное остаточное давление для всех типоразмеров насосов НД составляет 2,25×10⁻⁷ мм рт. ст. (3×10⁻⁵ Па). Такое глубокое разрежение делает их пригодными для большинства процессов высоковакуумной технологии. Наибольшее выпускное давление, при котором насос сохраняет работоспособность, составляет 60 Па (0,45 мм рт. ст.). Этот параметр определяет требования к форвакуумному насосу и влияет на выбор схемы вакуумной системы.
Энергетические параметры и нагреватели
Потребляемая мощность насосов зависит от типоразмера и определяется количеством и мощностью установленных нагревательных элементов. Для младшей модели НД-250 суммарная мощность составляет 2,4 кВт при напряжении питания 220 В. НД-400 потребляет 4,8 кВт при напряжении 400 В. С ростом габаритов насоса увеличивается и потребление электроэнергии: НД-500 7,2 кВт, НД-630 12 кВт, НД-800 18 кВт, НД-1000 24 кВт.
Отличительной конструктивной особенностью насосов НД является многоканальная система нагрева. Количество нагревательных элементов варьируется от 2 для НД-250 до 24 для НД-1000. При выходе из строя одного из нагревателей насос продолжает работу на оставшихся элементах, что критически важно для непрерывных технологических процессов. Время выхода на рабочий режим зависит от типоразмера насоса. Для НД-250 этот параметр составляет 25 минут.
Конструкция нагревателей предусматривает их легкую замену без полной разборки насоса, что сокращает время ремонтных работ.
Присоединительные размеры и массогабаритные характеристики
Впускной патрубок насосов НД выполняется в стандарте ISO-K или ISO-F в зависимости от типоразмера. Диаметр впускного фланца соответствует номеру модели: для НД-250 250 мм, для НД-400 400 мм и так далее. Диаметр выпускного патрубка составляет от 70 мм для НД-250 до 160 мм для НД-630 и старших моделей.
Габаритные размеры насосов растут пропорционально производительности. НД-250 имеет размеры 560×470×440 мм при массе 28–33 кг. НД-400 785×590×677 мм при массе 58 кг. НД-500 занимает пространство 940×695×818 мм при массе 92 кг. НД-630 1130×830×1041 мм при массе 125 кг. Наиболее крупный НД-1000 имеет габариты 1880×1154×1530 мм и массу 460 кг.
Параметры рабочей жидкости и системы охлаждения
Объем рабочей жидкости, заливаемой в насос, зависит от типоразмера. Для НД-250 объем масла составляет 1,8 л. Для крупных насосов этот показатель значительно выше. Рекомендуемое масло "VACMA OIL 500" по ТУ 19.20.29-061-00218526-2019. Рабочая температура масла в установившемся режиме составляет 240–255 °C.
Система водяного охлаждения является обязательным условием эксплуатации. Расход охлаждающей воды для НД-250 составляет 160 л/ч (около 3 л/мин). С ростом типоразмера расход увеличивается: для НД-400 300–400 л/ч, для НД-1000 до 1500 л/ч. Вода подается в два независимых контура: охлаждение корпуса и охлаждение маслоотражателя. Давление воды на входе должно составлять от 0,3 до 0,5 МПа (3–5 кгс/см²), температура от плюс 4 °C до плюс 25 °C.
Модификация НД-630Э
На базе основной серии НД разработана модификация НД-630Э, отличающаяся расширенным диапазоном рабочих давлений. Этот насос способен эффективно работать в диапазоне входных давлений от 6,66×10⁻⁴ до 1,33 Па (от 5×10⁻⁶ до 1×10⁻² мм рт. ст.).
Такое расширение диапазона в область среднего и низкого вакуума позволяет насосу работать при давлениях, характерных для бустерных насосов, что дает возможность упростить схему вакуумной системы или использовать насос в процессах с переменным давлением. Для стандартных моделей НД рабочий диапазон ограничен значениями 1×10⁻¹ 1×10⁻³ Па.
Требования к форвакуумному насосу
Благодаря высокой компрессионной способности диффузионных ступеней, требования к быстроте действия форвакуумного насоса для агрегатов НД существенно снижены по сравнению с насосами других типов. Для НД-250 необходимая быстрота действия форвакуумного агрегата составляет не менее 11 л/с. Для НД-500 этот показатель возрастает до 42 л/с. Такие требования позволяют использовать менее мощные и, соответственно, более экономичные форвакуумные насосы, что снижает общую стоимость вакуумной системы.
| Модель насоса | Быстрота действия, л/с | Предельное давление, мм рт. ст. | Мощность нагревателей, кВт | Расход воды, л/ч |
|---|---|---|---|---|
| НД-250 | 2700 | 2,25×10⁻⁷ | 2,4 | 160 |
| НД-400 | 7200 | 2,25×10⁻⁷ | 4,8 | 300 |
| НД-500 | 10800 | 2,25×10⁻⁷ | 7,2 | 500 |
| НД-630 | 18000 | 2,25×10⁻⁷ | 12 | 700 |
| НД-800 | 27000 | 2,25×10⁻⁷ | 18 | 1000 |
| НД-1000 | 45000 | 2,25×10⁻⁷ | 24 | 1500 |
| Модель насоса | Количество нагревателей | Время выхода на режим, мин | Объем масла, л | Масса, кг |
|---|---|---|---|---|
| НД-250 | 2 | 25 | 1,8 | 28–33 |
| НД-400 | 4 | 30 | 3,5 | 58 |
| НД-500 | 6 | 35 | 5,0 | 92 |
| НД-630 | 9 | 40 | 8,0 | 125 |
| НД-800 | 16 | 40 | 12,0 | 250 |
| НД-1000 | 24 | 45 | 18,0 | 460 |