Przemysłowe pompy próżniowe

Atlas Copco
Agata Pinkas
6.11.2018

Próżnia jako źródło energii stanowi, obok elektryczności, gazu ziemnego i wody, jeden z podstawowych elementów procesów technologicznych wykorzystywanych w przemyśle. Jednak jej wytwarzanie i utrzymywanie nastręcza wielu trudności – tym większych, im niższe ciśnienie jest wymagane. 

Do wytwarzania próżni stosuje się pompy próżniowe (eżektorowe lub elektryczne) i dmuchawy próżniowe, które służą do usuwania gazów w zamkniętej przestrzeni. Ze względu na sposób działania można wyróżnić pompy próżniowe: objętościowe, strumieniowe, jonowo-sorpcyjne, jonowo-magnetyczne, molekularne, kondensacyjne, adsorpcyjne i jonowe. Ponieważ różne typy pomp osiągają różne ciśnienia (próżnie) końcowe, można je podzielić także na pompy pracujące przy próżni niskiej, średniej, wysokiej i ekstremalnie wysokiej.

W sensie fizycznym pojęcie próżni oznacza przestrzeń pozbawioną materii. W rozumieniu technicznym terminem tym określa się warunki panujące w urządzeniu, w którym ciśnienie jest niższe od ciśnienia atmosferycznego. Najczęściej więc próżnia oznacza stan rozrzedzonego gazu, którego ciśnienie i gęstość są niższe od otaczającej atmosfery.

Technika próżniowa stosowana w warunkach przemysłowych jest w stanie wytworzyć podciśnienie do poziomu tzw. próżni średniej. Próżnia wysoka jest możliwa do uzyskania jedynie w warunkach laboratoryjnych, natomiast próżnia absolutna jest pojęciem czysto teoretycznym.

Do najważniejszych parametrów pomp próżniowych należą: ciśnienie końcowe, szybkość pompowania i wydajność. Istotną cechą każdej pompy jest maksymalne ciśnienie, jakie może panować na jej wylocie. Z tego względu wyróżnia się pompy pracujące przy ciśnieniu atmosferycznym i wymagające uzyskania próżni wstępnej.

Pompy olejowe i bezolejowe
Biorąc pod uwagę metodę działania pomp próżniowych, można wskazać pompy rotacyjne, z medium porywającym (strumieniowe, dyfuzyjne), kondensacyjne i pułapkowe. Najpopularniejszy rodzaj mechanicznych pomp próżniowych to pompy łopatkowe, umożliwiające uzyskanie próżni niskich i średnich. Wyposażone są w wirniki, które obracają się z wysokimi prędkościami. Obrotowe komory usuwają powietrze, kierując je do wylotu, i w ten sposób tworzą za portem próżnię. Przeszkodami w uzyskaniu niskiego ciśnienia końcowego w łopatkowych pompach próżniowych są nieszczelności oraz objętość (lub przestrzeń) szkodliwa, czyli objętość wewnątrz przestrzeni sprężania, która zawiera gaz pozostający w sprężarce po zakończeniu cyklu sprężania. Jednym ze sposobów zmniejszania objętości szkodliwej jest dodanie do cylindra pompy niewielkiej ilości oleju, który jednocześnie stanowi czynnik smarujący i uszczelniający. Wpływ objętości szkodliwej jest mniejszy w pompach wielostopniowych, dlatego takie właśnie (dwu-, a nawet trzystopniowe) są konstruowane. Obecnie budowane pompy łopatkowe mają specjalny kanał wyrównawczy, który łączy objętość szkodliwą z przestrzenią o małym ciśnieniu, co pozwala wyeliminować tę pierwszą.

Rotacyjne pompy łopatkowe z pierścieniem wodnym zasilane są niewielką ilością bieżącej wody, która służy do wytworzenia tego pierścienia. Obracający się wirnik wytwarza próżnię, oddzielając obszar ssawny od wylotowego. Możliwość zasysania zawilgoconego powietrza bądź cząstek oleju powoduje, że ten typ pompy jest niezastąpiony w wielu zastosowaniach w przemyśle wytwórczym.

Innym popularnym typem pomp próżniowych są pompy bezolejowe („suche”). Ich budowa eliminuje jakikolwiek kontakt przepompowywanego gazu z układem napędowym i łożyskami, zachowując przy tym hermetyczną szczelność. Dzięki takiemu rozwiązaniu do łożysk w pompach tych wykorzystuje się typowe smary przeznaczone do pracy w atmosferze, posiadające lepsze właściwości niż smary próżniowe.

Dmuchawy
Do wytworzenia próżni stosuje się także dmuchawy (sprężarki) bocznokanałowe, które działają na zasadzie zasysania powietrza przez szybko rotujący wirnik. Powietrze zostaje na końcu wyciśnięte na zewnątrz przez siłę odśrodkową i sprężone. Poprzez kanał boczny wpływa ono z powrotem do środka i zostaje jeszcze raz skompresowane między dwoma dalszymi kołami łopatkowymi.

Innym rodzajem dmuchaw często stosowanych do wytworzenia próżni są dmuchawy Rootsa. To urządzenia wyporowe – o niskich ciśnieniach i dużych przepływach. Mogą pracować w procesach sprężania (jako dmuchawa) oraz ssania (jako pompa próżniowa). Przeznaczone są do wytwarzania ciągłego nadciśnienia lub podciśnienia powietrza bądź gazów obojętnych. Wewnątrz korpusu dmuchawy Rootsa znajdują się dwa specjalnie ukształtowane trzyłopatkowe tłoki obrotowe w kształcie cykloidalnym. Napędzane są bezpośrednio przez przekładnie zębatą, a ich praca odbywa się w dwóch równoległych osiach w przeciwnych kierunkach. Równoległe osie obrotu tłoków uzupełniają się wzajemnie w każdej pozycji. Podczas obrotu cyklicznie zmienia się objętość powietrza w przestrzeni zamkniętej pomiędzy tłokami. Zmiana (zmniejszenie) objętości służy do sprężania gazu roboczego. W części, w której zwiększa się objętość, następuje spadek ciśnienia, podczas gdy w części, w której objętość się zmniejsza, ciśnienie wzrasta. Synchroniczna i bezstykowa praca obu tłoków nie wymaga smarowania w komorze sprężania, co sprawia, że tłoczone medium nie jest zanieczyszczone smarem z opiłkami żelaza. Dzięki temu dmuchawy Rootsa znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie nośnik transportowanego materiału musi być wolny od zanieczyszczeń.

Na sprężone powietrze
Poza mechanicznymi pompami próżniowymi na rynku dostępne są także pompy napędzane sprężonym powietrzem, w których jest ono z dużą prędkością wtłaczane przez mały otwór lub dyszę eżektora, w wyniku czego wewnątrz systemu powstaje podciśnienie. Ciśnienie atmosferyczne próbuje dostać się z zewnątrz układu w celu zrównoważenie tego negatywnego ciśnienia i przywrócenia równowagi, co generuje przepływ podciśnienia lub indukuje przepływ powietrza. Ten sposób działania znany jest jako zasada Bernoulliego.

Największą zaletę pomp próżniowych eżektorowych stanowi ich bezobsługowość. Pompa eżektorowa to tylko jedna dysza lub kilka, przez które przepływa powietrze, tworząc podciśnienie. Pompa taka nie ma żadnych ruchomych elementów, które w trakcie pracy mogłyby się zużyć, nie wymaga także smarowania. Jedyna czynność serwisową, którą należy wykonywać, to przeczyszczenie dysz.

Kolejną wartą wspomnienia zaletą pomp eżektorowych jest możliwość modułowej zabudowy. Najmniejsze pompy składają się z jednego eżektora, lecz łatwo je połączyć ze sobą na jednej szynie i dowolnie konfigurować.

Zastosowanie w przemyśle
Z pomp próżniowych korzystają liczne gałęzie przemysłu, m.in. chemia, petrochemia i farmacja. Obecnie podciśnienie wykorzystuje się też do destylacji próżniowej, odzyskiwania pary, filtracji, suszenia itd. W energetyce pompy próżniowe stosowane są do usuwania gazów, transportu popiołów, odpowietrzania. W obróbce skrawaniem próżnia używana jest w technice wykańczającej i cieplnej (piece próżniowe). Stosuje się ją także w procesach mycia i czyszczenia przemysłowego, np. do odolejania.

Pompy próżniowe szeroko stosowane są również w przemyśle spożywczym, np. do ewakuacji gazów nieskraplających się, głównie powietrza, w instalacjach wyparnych, oziębiania rozprężnego, usuwania obcych zapachów z płynnych produktów, liofilizacyjnego suszenia żywności, odgazowywania wody pitnej używanej do produkcji wody mineralnej, soków, piwa czy podciśnieniowego transportu pneumatycznego. Pompy próżniowe często są też podstawowymi urządzeniami w procesach mieszania, krojenia, segregacji, próżniowego przetwarzania i pakowania żywności.

Urządzenia tworzące próżnię spotkamy również na wielu liniach produkcyjnych w systemach automatyki. W robotach przemysłowych zasilają one chwytaki podciśnieniowe, które podnoszą i przenoszą zarówno małe przedmioty, np. elektrochipy, jak i ciężkie elementy typu tafle szkła czy pojazdy.

O Autorze

Tagi artykułu

MM Magazyn Przemysłowy 9/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę