پمپ وکیوم روتاری و اجزای جانبی سیستم خلا

یکی از عوامل محدود کننده پمپ وکیوم روتاری، آب بند Dou می باشد. همانطور که در مقاله آشنایی با پمپ وکیوم روتاری ذکر شد. نشت بند ایجادی بوسیله روغن در فضای کوچک 0.025 میلی متری (0.001 اینچ) بین روتور و استاتور (بدون تماس روتور و استاتور) در بالای پمپ، آب بند Dou می باشد.

توضیحات

در یک پمپ وکیوم پره ای روتاری تک مرحله ای، اختلاف فشار در سراسر آب بند می تواند ،به 100000:1 (1000 میلی بار در مقابل 0.01 میلی بار) نزدیک شود. اختلاف فشار بالاتر از این مقدار، باعث ایجاد نشتی در آب بند روغنی و عبور گاز از سمت پر فشار به سمت کم فشار نفوذ خواهد نمود. (شکل 1). این پدیده باعث ایجاد جریان برگشتی (یعنی حرکت گاز پمپ شده و روغن به داخل محفظه کوره خلاء.) خواهد شد.

به منظور ایجاد خلاء بالاتر با استفاده از پمپ وکیوم روتاری، از طراحی پمپ دو مرحله ای استفاده می شود. پمپ دو مرحله ای از دو پمپ پره ای روتاری به صورت سری استفاده می کند (شکل 2). خروجی مرحله خلاء بالا به ورودی مرحله خلاء کم وارد می شود. از آنجایی که ورودی به مرحله خلاء کم ( فشار ورودی خلا کم با فشار خروجی خلا بالا تقریبا یکسان می باشد) به طور قابل توجهی کمتر از فشار اتمسفر است.

بنابراین در این طراحی فشار اعمالی در خروجی بخش خلا بالا، کمتر از فشار اتمسفر (بر خلاف حالت تک مرحله) بوده. و  این امر باعث کاهش اختلاف فشار در سرتاسر آب بند Dou میشود. قسمت خلا بالای پمپ روتاری توان ایجاد خلا نهایی بالاتری در پورت ورودی خود داشته باشد. پمپ وکیوم پره ای دو مرحله ای می تواند فشار ورودی ^3-10*3 تور (4 x 10^-3 mbar) را به دست آورد. هیچ دریچه تخلیه ای بین مراحل خلاء بالا و خلاء کم وجود ندارد. اما در خروجی مرحله خلاء کم مانند پمپ خلا روتاری تک مرحله ای یک شیر اگزاست وجود خواهد داشت.

انتخاب حالت پمپاژ در پمپ وکیوم روتاری

برخی از پمپ‌های پره‌ای دو مرحله‌ای با قابلیت عملکرد در حالت مکش بالا یا خلاء بالا ارائه می‌شوند. حالت کارکرد پمپ وکیوم با چرخاندن یک دکمه واقع در پانل کنترل پمپ انتخاب می شود. انتخابگر حالت همچنین جریان روغن تحت فشار را به مرحله خلاء بالای پمپ کنترل می کند که ویژگی های پمپ را تغییر می دهد. در حالت مکش بالا، فشار روغن (و در نتیجه جریان) افزایش می یابد و در حالت خلاء بالا، جریان روغن کاهش می یابد.

حالت مکش بالا برای تخلیه سریعتر محفظه خلا تا سطح خلا  حدود 38 تور ( 50 میلی بار) مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین در یک فرآیند ایجاد خلا می توان برای تخلیه سریعتر محفشه در فاز اول از حالت مکش بالا استفاده نموده. و پس از رسیدن سطح خلا به حدود 50 میلی بار از حالت خلا بالا برای رسیدن به سطح خلا نهایی استفاده نمود. از حالت مکش بالا همچنین می توان  برای پمپاژ بخار قابل چگالش (کثیف) و برای رفع آلودگی روغن پمپ در صورت لزوم استفاده نمود. حالت خلاء بالا فقط برای گازهای تمیز قایل استفاده است.

با ترکیب انتخاب حالت و بالاست گاز (به ادامه مقاله مراجعه نمایید) عملکرد پمپ وکیوم را می توان بهینه نمود. طیف گسترده ای از ویژگی های پمپاژ (یعنی سطح خلا نهایی و نرخ مکش) از طریق انتخاب یکی از دو حالت مذکور در ترکیب با بالاست گاز (بالا، کم، یا بدون بالاست) قابل دستیابی می باشد. کلید انتخابگر حالت را می توان در حالی که پمپ وکیوم روشن یا خاموش است فعال کرد. و برخی از پمپ های بزرگتر فرآیند انتخاب حالت به طور خودکار انجام می گیرد.

نقش شیر ایزوله (ضد مکش) در پمپ وکیوم

پمپ خلا پره ای روتاری اغلب به یک شیر جداسازی ورودی (معروف به شیر ایمنی ضد مکش یا خلاء) مجهز هستند. همانطور که از نام آن پیداست، این دستگاه با توقف پمپ مسدود شده و از مکش گاز (یا هوا) به داخل محفظه خلاء از طریق پمپ جلوگیری می کند. هنگامی که پمپ خلا خاموش گردیده و عملیات پمپاژ متوقف می شود ( و شیر ضد مکش بسته می شود)، هوا از خروجی پمپ وارد پمپ وکیوم شده و فشار داخل پمپ با فشار خارج پمپ برابر می شود.

هم فشار شدن داخل پمپ خلا با محیط بیرون مانع از پر شدن روغن داخل محفظه های استاتور می شود. شیر ضد مکش بلافاصله پس از  روشن شدن دوباره پمپ باز نمی گردد. فرآیند باز شدن شیر تا زمانی که فشار در پمپ به فشار تقریبی در محفظه خلاء برسد، به تأخیر می افتد. در نتیجه از مکش در زمانی که پمپ در حال رسیدن به فشار محفظه خلا می باشد نیز جلوگیری می کند. این شیر جداساز به صورت هیدرولیکی فعال می شود. در پمپ وکیوم پره ای دو مرحله ای، شیر ایزولاسیون در مرحله خلاء بالا قرار دارد.

عملکرد و کاربرد بالاست گاز در پمپ خلا

رطوبت و آلاینده های تبخیرشده (معمولاً از سیالات کثیف ورودی به محفظه خلاء) به روغن پمپ راه پیدا کرده ودر عملکرد کارآمد پمپ وکیوم اختلال ایجاد می کنند.در نتیجه، رسیدن به‌خلاء نهایی دشوار شده .و زمان‌ مورد نیاز برای رسیدن به وکیوم مورد نیاز طولانی تر و طولانی تر می گردد.زیرا روغن توانایی خود را برای ایجاد آب‌بندی بین پره‌ها و استاتور و آب بند Dou را از دست می‌دهدودرنتیجه راندمان پمپاژ کاهش می‌یابد. همچنین خواص روغن تغییر کرده وباعث‌روانکاری ناکافی می‌شود واحتمال خوردگی داخلی را ایجاد می کند.برای جلوگیری از این مشکلات، از عملیات ساده و در عین حال بسیار موثر بالاست گاز (معروف به بالاست گازی) استفاده می شود.

بالاست گازی تزریق یک‌گاز غیر قابل چگالش (به عنوان مثال،نیتروژن یا هوا) به یک پمپ وکیوم پره ای وار در طول مرحله پمپاژ می باشد.که منجر به کاهش میعان‌می‌شود. گاز بالاست از طریق یک شیر یک طرفه (معروف به”بالاست گاز”) که دربالای پمپ‌قراردارد‌‎تزریق می‌شود. همچنین یکی از موارد استفاده از بالاست‌گاز این‌است که‌باز کردن شیربالاست گازعمداًکارایی پمپ را از بین برده.که به نوبه خودباعث گرم شدن روغن پمپ و خروج رطوبت‌وسایر بخارات فراراز‌روغن‌می‌شود.

مزایای گاز بالاست

تئوری پشت استفاده از گاز بالاست‌ اینست که‌ با تزریق‌ گاز به‌ داخل گاز فشرده شده، و رقیق شدن بخار موجود در گاز، در نتیجه فشار جزئی بخار در طول فشرده سازی هرگز به حد اشباع نمی‌رسد. تزریق درابتدای چرخه فشرده‌سازی شروع می‌شود. پس از شروع به‌ کار، روتور پمپ‌ به چرخش ادامه می‌دهد و فشار تولیدشده‌ در پمپ‌ را افزایش می‌دهد، که باعث می‌شود شیر بالاست یک‌ طرفه بسته‌شود.با ادامه چرخش روتور، دریچه تخلیه پمپ به اجبار باز شده و مخلوط گاز پمپ شده، گازبالاست‌ و بخار تخلیه‌ می‌گردد.

علاوه بر رقیق کردن بخارات قابل چگالش، بالاست گاز دمای گاز فرآیند را 10-20 درجه سانتیگراد (18 تا 36 درجه فارنهایت) افزایش می دهد.که باث جلوگیری بیشتر از وقوع چگالش می گردد. علاوه بر این، بالاست گاز در طول عملکرد معمولی پمپ خلا برای جلوگیری از چگالش بخار استفاده می‌شود. همچنین برای خارج نمودن ناخالصی های موجود در روغن پمپ که قبلاً با بخار چگالیده‌ آلوده شده است نیز استفاده می شود. این فرآیند ممکن است برای پمپ‌های بسیار آلوده چندین ساعت به طول بیانجامد.

نحوه اجرای گاز بالاست

توصیه می شود که پمپ خلاء حداقل یک بار در روز بالاست شود، معمولاً هنگام راه اندازی تجهیزات و قبل از اولین کارکرد. بالاست باید حداقل 30 دقیقه انجام شود. در برخی از کاربردهای حساس یا در جاهایی که سیالات کثیف در فرآیند وجود دارند .و یا گازهای خروجی قابل توجهی پیش بینی می شود، توصیه خوبی است .که پمپ وکیوم را پس از هر چرخه به مدت 20 تا 30 دقیقه بالاست کنید. این کار به حذف ناخالصی ها از روغن بعد از هر چرخه عملیاتی کمک می کند.

انتخاب هوا یا نیتروژن به عنوان گاز بالاست به ویژگی های گاز فرآیندی که از محفظه خلاء پمپ می شود بستگی دارد. به عنوان یک گاز بی اثر، نیتروژن زمانی استفاده می شود که رطوبت، اکسیژن یا هیدروژن موجود در هوا با گازهای فرآیند واکنش نشان دهد. در بیشتر موارد دیگر، از هوا بعنوان گاز بالاست استفاده میگردد.

عیب اصلی بالاست گاز این است که در حین استفاده خلاء نهایی پمپ را کاهش می دهد (شکل 11). همچنین سرعت تخلیه روغن از پمپ را افزایش می دهد. اثر منفی بالاست بر خلاء نهایی و اتلاف روغن در فلو کم نسبت به فلو زیاد کمتر است

استفاده از تله های سرد در سیستم وکیوم

علاوه بر بالاست گاز، روش دیگری برای پمپاژ گازهای حاوی بخارات چگالنده یا مرطوب، حذف آنها قبل از ورود به پمپ است. این کار از طریق یک تله سرد (معروف به کندانسور ورودی) که در ورودی پمپ قرار دارد انجام می شود.

مطابق شکل 5 کندانسور با خنک کردن گاز پرفشار زیر دمای چگالش بخارات (رطوبت و سایر موارد) که مخلوط در گاز مکش می باشد، کار می کند. با کاهش دمای گاز مکش، و تبدیل بخارات به مایع، روی سطوح داخلی مبدل حرارتی داخل کندانسور جمع می شوند و از ورود آنها به پمپ جلوگیری می شود. میعانات حاصل جمع آوری و خارج می شود. کندانسورهای ورودی را می توان با استفاده از مبدل حرارتی پوسته و لوله با آب خنک نموده و یا با مبرد یا گازهای مایع مانند نیتروژن مایع خنک کرد.

کندانسور همچنین در حداقل‌سازی جریان برگشتی بخارات روغن از پمپ به داخل محفظه خلاء کمک می‌کند. حتی با وجود یک کندانسور ورودی، در یک پمپ وکیوم پره ای امکان آلوده شدن روغن وجود دارد. بنابراین، اغلب از یک کندانسور ورودی و یک بالاست گاز برای حداکثر سازی قابلیت مکش گازهای دارای بخارات و رطوبت با حداقل کاهش ظرفیت پمپاژ استفاده می شود.

کاربرد تله های Foreline در سیستم خلا

در هر سیستم خلاء با فشار کمتر از 0.75 تور (10-1 mbar) پتانسیل جریان برگشتی که عبارت است از مهاجرت بخارات روغن  به محفظه کوره خلاء (شکل 6) می باشد، وجود دارد. جریان برگشتی مذکور نتیجه تبخیر روغن تحت فشار کم می باشد که باعث آلودگی در محفظه خلا می شود. زیرا روغن با رسوب به عنوان یک لایه بر روی سطوح داخلی کوره، می تواند در فرآیند اختلال ایجاد نماید.

یکی از راه های جلوگیری از جریان برگشتی مطابق شکل 7 استفاده از تله Foreline می باشد. تله foreline یک غربال مولکولی است که روی ورودی پمپ نصب میگردد و با آلومینا فعال (که به آن جاذب نیز گفته می شود) پر شده است. آلومینا با به دام انداختن باعث جمع‌آوری آن می گردد. محیط آلومینا قابل تعویض بوده و باید در همان بازه زمانی تعویض روغن پمپ وکیوم  – معمولاً هر 6 ماه یکبار، اگرچه این بستگی به فرکانس استفاده دارد – تعویض شود،. تله Foreline نود و نه درصد بخارات روغن را جذب نموده و از برگشت آن به محفظه خلا جلوگیری می نماید.

نحوه کارکرد تله های Foreline

آلومینا همچنین باعث حذف رطوبت از جریان گاز و جمع آوری آن را به صورت آب مایع میگردد. با گذشت زمان، این کار باعث کاهش سرعت پمپ می شود زیرا آلومینا با آب مسدود می شود .و باعث ایجاد افت فشار در مسیر مکش خواهد شد. به همین دلیل، هنگامی که رطوبت در گاز فرآیند وجود دارد، توصیه می شود. که از یک کندانسور ورودی در کنار تله Foreline استفاده شود.

هنگامی که از یک تله Foreline استفاده می شود، مطابق شکل 8 بهتر است از یک مسیر جایگزین در کنار تله استفاده گردد. تا در ابتدای فرآیند تخلیه محفظه که دبی مکش و فشار بالا می باشد امکان خارج نمودن تله Foreline از مسیر مکش فراهم گردد. زیرا نگرانی از وجود بخارات روغن در سطح فشار پایین وجود دارد و استفاده از مسیر جایگزین در فشار های بالاتر از انسداد سریعتر و غیر ضرور آلومینا جلوگیری می نماید.

اگرچه استفاده از تله های Foreline در صنعت خلا رایج هستند، و اولین نکته ای که رعایت آن می تواند تاثیر بسزایی در جلوگیری از برگشت بخارات روغن داشته باشد. استفاده از روغن وکیوم با فشار تبخیر کم می باشد. که باعث کاهش تولید بخارات روغن در داخل پمپ خواهد شد.

علاوه بر تله Foreline، از لوازم جانبی دیگری نیز در سمت ورودی پمپ برای جذب رطوبت، بخارات و آلاینده های جامد بهره جست. از این میان می توان به تله زئولیت، تله کاتالیزوری، تله گرد و غبار و … اشاره کرد. انتخاب تله (ها) بر اساس کاربرد خاص و اجزای تشکیل‌دهنده گاز فرآیند خواهد بود.

خلاصه

در مقاله آشنایی با پمپ وکیوم روتاری و این مقاله سعی شد، مطالبی در رابطه با پمپ وکیوم روتاری ارائه گردد تا آشنایی مختصری از نحوه کارکرد آنها ایجاد شود. نمی توان منکر شد که این مقالات ناکافی بوده و نیاز به مطالعات بیشتر وجود دارد. ولی هدف کلیدی از نگارش این مقالات این بود تا شما با عملکرد و نوحه کارکرد سیستم های خلا آشنا شوید. حتما به یاد داشته باشید روغن پمپ خلا را هر ماه (300 ساعت) تعویض کنید . سایر مراحل لازم برای مراقبت از آنها را انجام دهید تا پمپ خلا روتاری شما سالها بدون نیاز به تعمیر برای شما کار نماید.