CC BY
206
А. В. Бурмистров, С. И. Саликеев, А. А. Райков НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ВЫБОРА БЕЗМАСЛЯНЫХ НАСОСОВ СРЕДНЕГО ВАКУУМА
Ключевые слова: вакуумный насос, безмасляный вакуум, удельные характеристики, средний вакуум.
Представлены аспекты, которые необходимо учитывать при выборе типа насоса среднего вакуума. Проведено сравнение трех типов безмасляных насосов среднего вакуума и насосов с масляным уплотнением по удельным характеристикам. Показано, что стоимость безмасляного вакуума в 3-10 раз выше по сравнению с вакуумом, получаемым насосами с масляным уплотнением. По удельной мощности и коэффициенту подачи безмасляные насосы и их масляные аналоги находятся на одном уровне.
Keywords:vacuum pump, oil-free vacuum, the specific characteristics of the average vacuum.
Some aspects concerning the choice of rough vacuum pumps are presented. The comparison between three types of oil-free rough vacuum pumps and oil-sealed vacuum pumps was carried out according to their specific characteristics. It is shown that the cost of oil-free vacuum is 3-10 times higher than the cost of vacuum created by oil-sealed vacuum pumps but the specific power and delivery rate ofpumps of both types are at grade.
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОМ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.521
Вакуумная техника является одной из основных составляющих мирового рынка высоких технологий. Согласно данным, представленным в [1], объем мирового рынка вакуумных технологий в 2012 году достиг почти 7 млрд. долл. По прогнозам до 2015 года сохранится положительная динамика рынка, и ежегодный прирост составит около 6,5% [1]. Основным двигателем рынка вакуумного оборудования является отрасль производства полупроводниковой техники. При этом на мировом рынке вакуумного оборудования четко выделяются три лидирующие компании - Oerlikon Leybold Vacuum (Германия), Edwards (Великобритания) и Varian (США).
Объем российского рынка в 2011 году достиг 2,2 млрд. руб., при этом был отмечен значительный рост внутреннего производства. Это иллюстрирует табл., показывающая динамику одного из основных секторов - производство вакуумных насосов.
Таблица 1 - Внутреннее производство вакуумных насосов и агрегатов в 2007-2011 гг. в натуральном и денежном выражениях
2007 2008 2009 2010 2011
Производство, шт. 12904 13412 10865 11734 16193
Средняя цена, руб. 23,6 24,7 24,7 26,5 30,2
Оценка производства, млн. руб. 304,5 331,3 268,4 310,95 489,03
Однако для российского рынка по прежнему характерна высокая доля импорта, значительно превышающая долю внутреннего производства. Экспорт вакуумного оборудования традиционно невелик.
Российские производители выпускают в основном вакуумные насосы для низкого и среднего вакуума - пластинчато-роторные, жидкостно-кольцевые и мембранные. Лидером отечественной отрасли производства вакуумных насосов и агрегатов долгие годы является ОАО «Вакууммаш» (г. Казань). Доля компании в натуральном выражении превышает 20-25% от общего объема производства в РФ. Можно также вы-
делить ОАО «Ливгидромаш» (г. Ливны) и ЗАО «Беском» (с. Бессоновка).
Сфера промышленного и научного применения вакуума охватывает очень широкий диапазон рабочих давлений 10~10 -г- 105 Па. Обеспечить достижение даже среднего вакуума, не говоря уже о высоком и сверхвысоком, насосом одного типа невозможно, и ни одно откачное устройство не может одинаково эффективно работать в таком широком диапазоне давлений. В работе [2] отмечается, что физические механизмы функционирования конкретного откачного устройства при атмосферном давлении, в среднем и высоком вакууме, как правило, различны. Поэтому, даже если выбранное средство получения вакуума и было бы работоспособно во всём диапазоне давлений, попытка его универсального применения не привела бы к успеху из-за весовых, габаритных или стоимостных факторов. Именно с этим связано огромное количество разновидностей вакуумных насосов, выпускаемых серийно промышленностью.
Очевидно, что одной из наиболее сложных задач, решаемых при проектировании вакуумной системы, является выбор откачных средств. Ошибочно, если проектант будет опираться только на требуемую производительность насоса и предельное остаточное давление. В правильно спроектированной системе для каждой конкретной ситуации должно учитываться очень большое количество других аспектов, среди которых: диапазон рабочих давлений, характер откачиваемой среды (в первую очередь, агрессивность, токсичность, наличие твёрдых включений), время выхода системы на рабочее давление, длительность непрерывной работы, стоимость, габариты, уровень шума и вибрации, эксплуатационные расходы, потребляемая мощность, ресурс до капитального ремонта, надежность. И это далеко не полный перечень. Например, выбирая конкретный насос предварительного разрежения и/или его предпочтительного изготовителя, полезно принимать во внимание другие аспекты и эксплуа-
тационные особенности, например: наличие газобалластного устройства и входное давление при открытом газобалласте, возможность сохранения вакуума при остановке насоса; коррозионную стойкость, длительность периода восстановления начальных откачных параметров после откачки специфических газов и др.
Проектируя вакуумную систему, следует также заранее ответить на вопрос: должна ли система откачки обеспечивать получение безмасляного вакуума? И если да, то, каким образом?
Как известно, долгие годы наиболее популярной базовой схемой для получения высокого вакуума был агрегат с диффузионным насосом и установленной на его вход азотной ловушкой. Причем эта схема использовалась, а в России и сейчас нередко используется, даже в процессах очень критичных к присутствию паров масла в остаточной среде, например, в процессах нанесения тонких пленок.
В дальнейшем для получения безмасляного высокого и сверхвысокого вакуума стали применяться турбомолекулярные, электрофизические и криогенные насосы. В силу принципов своего действия данные средства откачки обеспечивали практически абсолютно «чистую» среду. Удивительно, но долгие годы в качестве насосов предварительного разрежения для них в основном применялись вакуумные насосы с масляным уплотнением (ВНМУ), например, золотниковые или пластинчато-роторные. Это объяснялось спецификой параметров, которые должен обеспечить насос предварительного разрежения или форвакуумный насос. В первую очередь, это относится к необходимому предельному остаточному разрежению. Для успешного функционирования высоковакуумных безмасляных насосов, как правило, требуется давление порядка 1 Па. Такое давление достаточно легко достигается двухступенчатым ВНМУ. Совсем по другому дело обстоит с получением безмасляного вакуума этого уровня давлений. На первый взгляд, разнообразие механических насосов, способных обеспечить получение безмасляного вакуума, впечатляет. Наиболее известны: поршневые, мембранные, винтовые, спиральные, осевые, центробежные, пластинчатые, двухроторные типа Рутс, кулачково-зубчатые. Однако, традиционно «сухие» мембранные, осевые и центробежные, а также безмасляные поршневые машины до этого давления «не дотягивают». Фактически единственными безмасляным средством предварительной откачки почти до конца XX столетия оставался криосорбционный насос, со всеми присущими недостатками в эксплуатации.
Ситуация кардинально изменилась, когда в конце XX столетия почти одновременно было освоено промышленное производство трех видов механических безмасляных вакуумных насосов: спиральных (scroll), кулачково-зубчатых (claw) и винтовых (screw). Типичные характеристики данных видов насосов ведущих мировых производителей вакуумного оборудования представлены на рис. 1. Там же нанесена аналогичная кривая для двухступенчатого пластинчато-роторного насоса 2НВР-5ДМ производства ОАО «Вакууммаш». Можно видеть, что все три вида машин могут являться полноценной «сухой» альтернативой ВНМУ.
Рис. 1 - Типичные паспортные характеристики механических насосов для получения среднего вакуума
При этом, для достижения давления порядка 1 Па, например, в машинах с роторами кулачко-во-зубчатого типа требуется 3-4 последовательно соединенные ступени. В спиральных и винтовых насосах, в силу особенностей принципа действия, прохождение газа через ряд последовательно соединенных полостей реализуется в одной камере. Кроме того, благодаря герметизации рабочей полости с помощью металлического сильфона, спиральные насосы могут быть абсолютно безмаслянными. Этим они выгодно отличаются от винтовых, кулач-ково-зубчатых и двухроторных насосов, в которых уплотнение валов осуществляется при помощи сальниковых или динамических уплотнений. Отметим, что агрегаты в составе электрофизических или криогенных насосов в сочетании с «сухими» спиральными насосами позволяют добиться абсолютно безмасляного высокого и сверхвысокого вакуума. В то же время, спиральные насосы, вследствие наличия в конструкции неуравновешенных вращающихся масс, имеют физическое ограничение по быстроте действия, - на сегодняшний день это порядка 15 л/с (насосы Anest Iwata ISP-1000, Edwards XDS-46i). Кроме того, спиральные насосы очень чувствительны к различным механическим загрязнениям, попадающим в рабочую камеру насоса, что не позволяет использовать их в ряде «грязных» технологических процессов.
Винтовые и кулачково-зубчатые насосы, напротив, менее чувствительны к «чистоте» откачиваемой среды и, главное, имеют существенно большую быстроту действия. Например, винтовой насос Dryvac 5000 (Oerlikon Leybold Vacuum) имеет быстроту действия более 1000 л/с.
Все эти три вида безмасляных вакуумных насосов достаточно сложны в производстве, поскольку требуют высокой точности изготовления деталей и узлов, входящих в их состав и высокой культуры производства. К сожалению, ни одна из данных машин в России серийно не производится.
Вышесказанное позволяет понять, насколько сложна задача правильного выбора откачных средств. В этом контексте важно, чтобы проектант и эксплуатационщик вакуумных систем осознавали, какую цену придется заплатить за безмасляный вакуум. Помочь в этом может рис. 2.
Utiii, тыс. руб/(л/е
X X X X X Serool pump □ Screw pump 0 Oil pump
X X
& X * X x □ □
о 0 □ ^ соофоооО оо >
10!
, л/с
10'
101 1 ю1
Рис. 2 - Удельная стоимость быстроты действия ВНМУ и безмасляных насосов среднего вакуума
Здесь и ниже использовались данные более чем по 60 насосам ведущих мировых производителей откачных средств [3-11]: Varían Vacuum Technologies (США), Edwards (Англия), Pfeiffer Vacuum (Германия), Busch (Германия), Oerlikon Leybold Vacuum (Германия), Tuthill Vacuum (США), Anest Iwata (Япония), Adixen (Франция).
Из рисунка видно, что при соизмеримой быстроте действия стоимость получения безмасляного вакуума от 3-х до 10 раз выше, чем вакуума, обеспечиваемого с помощью ВНМУ. Как и следовало ожидать, для всех насосов стоимость единицы быстроты действия снижается с увеличением быстроты. Причем эта разница более ярко выражена у безмасляных насосов и может достигать 4-х раз.
По удельной мощности (рис. 3) безмасляные насосы и ВНМУ находятся примерно на одном и том же уровне, также как и по коэффициенту подачи насоса.
У насосов с большей быстротой действия удельные параметры, как правило, лучше, чем у насосов с малой быстротой действия. Самое высокое энергопотребление и худшие массогабаритные показатели характерны для вакуумных насосов кулачково-зубчатого типа. Коэффициенты подачи большинства насосов лежат в интервале от 0,8 до 0,9. Исключение составляют кулачково-зубчатые машины, для которых он ниже и составляет примерно 0,7 [12, 13].
Wvfl, Вт/(л/с)
800
о X Scrool pump □ &crew pump
CP о Д Claw p О Oil pun ump np
о X
X * □ B¿ Во □
101
iaJ
ю'
5В1С, л/с
Рис. 3 - Удельная мощность ВНМУ и безмасляных насосов среднего вакуума
Конечно следует помнить, что представленные данные не учитывают затраты на покупку и обслуживание ловушек, устанавливаемых на вход ВНМУ для снижения обратного потока паров масла, затраты на замену и утилизацию масла. И самое главное, ни одна система с масляным насосом, даже при наличии крио-
генных ловушек, не гарантирует от попадания углеводородов в откачиваемый объем, особенно в нештатных ситуациях. Таким образом, дополнительные издержки за безмасляную систему откачки становятся вполне приемлемой платой за лучшее качество производимой продукции.
Статья подготовлена на кафедре «Вакуумная техника электрофизических установок» КНИТУ при финансовой поддержке проекта «Создание высокотехнологичного производства безмаслянных спиральных вакуумных насосов для индустрии на-носистем и наноматериалов» открытого публичного конкурса по отбору организаций на право получения субсидий на реализацию комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства согласно постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года N 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».
Литература
3
Маркетинговые исследования, анализ рынков, проведение маркетинговых исследований на заказ // Research.Techart. URL: http://research-techart.ru/.
Hablanian, M. H. High-vacuum technology: a practical guide. 2nd ed., rev.and expanded., 1997. 547p.
Vacuum pumps, Vacuum Systems Solutions Services // Oerlikon Leybold Vacuum. URL:
http://www.oerlikon.com/leyboldvacuum.
4. Электронный магазин ОАО Вакууммаш // ОАО Ваку-уммаш. URL: http:// vacma. ru/index.php?option=com_virtuemart&Itemid=33.
5. Dry Scroll Vacuum Pumps // Anest Iwata. URL: http://anestiwata.com/product-category/vacuum-pumps/.
6. Edwards products // Edwards Limited. URL: http://www.edwardsvacuum.com/Products/List.aspx.
7. Varian vacuum technologies // Swiss Vacuum Technologies. URL: http://www.swissvacuum.com/products/Varian_Vacuum_tec hnologies/.
8. Busch Vacuum Pumps and Systems // Busch GmbH. URL: http://www.buschvacuum.com/.
9. Vacuum Technology & Vacuum Pumps from the leading manufacturer // Pfeiffer Vacuum GmbH. URL: http://www.pfeiffer-vacuum.com/.
10. Tuthill Vacuum & Blower // Tuthill Vacuum & Blower Systems. URL: http://www.tuthillvacuumblower.com/.
11. ULVAC Technologies, Inc. - Inspiring the Future // UL-VAC Technologies, Inc. URL: http://www.ulvac.com/.
12. Бурмистров, А.В. Энергетические характеристики безмасляного кулачково-зубчатого вакуумного насоса / А.В. Бурмистров, А.А. Райков, С.И. Саликеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2012, Т.15. - № 8. - C.257-258.
13. Захаров, А.А. Расчет проводимости профильных каналов спиральных безмасляных вакуумных насосов / А. А. Захаров, И.А. Сунгатуллин, С.И. Саликеев, А.В. Бурмистров // Вестник Казанского технологического университета - 2010 - № 7. - C.193-196.
© А. В. Бурмистров - д.т.н., проф. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, burm@kstu.ru; С. И. Саликеев - к.т.н., доц. той же кафедры, salikeev_s@mail.ru; А. А. Райков - асп. той же кафедры.
