Струйные вакуумные насосы
Особенно трудно удалить молекулы газа при среднем и высоком вакууме, так как при этом их количество во много раз меньше, чем при обычном состоянии газа.
Средняя длина пробега молекул увеличивается: они свободно движутся от стенки до стенки сосуда, и не так-то просто направить летящую с огромной скоростью молекулу в пространство с большим числом молекул. Вот и получается, что если газы при нормальном давлении можно перекачивать так же, как и жидкость, то при высоком вакууме приходится «охотиться» за каждой молекулой.
Между тем развитие техники производства электроламп, а затем рентгеновских трубок и радиоламп требовало все более высокого вакуума. В ответ на это требование в начале XX века были созданы насосы, которые действовали на совершенно иных принципах, чем поршневые, ротационные и другие механические насосы. Это были струйные насосы. На чем основано их действие?
Еще в начале XVIII века известный ученый, почетный член Петербургской Академии наук Даниил Бернулли открыл основные принципы изменения давления в движущемся потоке жидкости или газа. Бернулли нашел, что при прохождении жидкости или газа по трубе с переменным сечением давление на стенки в узкой части трубы будет меньше, чем в широкой. Это подтверждается таким опытом (рис. 13).
Присоединим изогнутую трубочку, заполненную водой, одним концом в месте сужения трубы 2, а другим — к широкой ее части <?. В правом колене трубочки вода поднимется, а в левом — опустится. Это значит, что в узкой части трубы, к которой присоединено правое колено изогнутой трубочки, давление меньше, чем в широкой части трубы. По разности уровней воды в трубочке можно судить о разности давлений в узкой и широкой части трубы.
Вот это явление и лежит в основе действия струйных насосов. В таких насосах активными веществами, создающими разрежение, могут служить вода и другие жидкости, а также и газы.
Всасывающее действие струи жидкости или пара мы часто наблюдаем вокруг нас. Это явление широко используется в технике для устройства струйных насосов.
Всякий струйный насос (рис. 14) состоит из: сопла 7, из суженной части которого выходит пар или сжатый воздух, камеры смешения 2, в которой создается разрежение и происходит смешение пара с подсасываемым через отверстие 3 воздухом; диффузора 4, через который выводится смесь пара и отсасываемого воздуха.
Многие из нас наблюдали, как на подъеме паровоз, тянущий тяжелый состав, с шумом выпускает из трубы вместе с дымом струю пара. Это происходит потому, что машинист, стараясь увеличить тягу в трубе паровоза, усиливает работу сифона (специального устройства для создания тяги в трубе).
Как же устроен сифон? Для создания тяги в обычных печах устраивают дымовые трубы. Чем большее количество воздуха нужно ввести в печи, чем сильнее нужна тяга, тем выше делают трубу. Тяга в заводской трубе создается за счет разницы в весе горячего и холодного воздуха. Находящийся в трубе горячий воздух легче, чем окружающий трубу холодный.
Под давлением столба холодного воздуха в печь поступают все новые и новые порции воздуха. В печи воздух нагревается и вместе с продуктами горения образует горячие дымовые газы, которые устремляются в трубу. Для усиления процесса горения теперь в топки печей подают воздух под давлением. На паровозе нельзя установить высокой трубы, здесь ее заменяет сифон. Действует он так. В основании короткой паровозной трубы устанавливается кольцевая трубка с несколькими отверстиями. Каждое из этих отверстий имеет коническое сопло, из которого пар выходит с большой скоростью. Пар, двигаясь в паровозной трубе с большой скоростью, увлекает за собой воздух и горячие газы, выходящие из топки. Таким образом сифон создает тягу. Этот же принцип используется на паровозе для подачи воды из тендера в паровой котел при помощи так называемого инжекторного насоса.
На каждом шагу в обыденной жизни мы сталкиваемся с этим явлением. Например, всем известен пульверизатор. Струя воздуха продувается через трубку, имеющую сужение, в месте сужения струи создается разрежение и вода (или другая жидкость) поднимается по второй трубке, расположенной перпендикулярно к первой, и распыляется воздухом. На том же принципе основано действие обычной газовой горелки. В ней газ, выходящий из сопла, подсасывает воздух, необходимый для горения. В лабораториях широко применяются действующие на этом принципе водоструйные насосы (рис. 15). Вакуумная техника широко использует этот принцип в ртутных и масляных пароструйных насосах. В этих насосах вместо водяного пара используются пары ртути или специальных масел. Ртуть удобна для вакуум-насосов, потому что ее пары имеют очень низкое давление при обычной температуре.
Пароструйный вакуум-насос (рис. 16) состоит из цилиндрического корпуса /, окруженного водяной рубашкой 2. В нижней части кожуха находится резервуар 3 для рабочей жидкости — ртути или масла и подогреватель для нее. По оси цилиндрического корпуса установлена труба 4, направляющая пары ртути в специальное сопло 5, действующее подобно соплу в инжекторе паровоза. Когда включается подогреватель, ртуть или масло закипают, а их пары, выходя из сопла, увлекают через кольцевой зазор 8 за собой Газ и создают разрежение в трубопроводе 6, соединенном с откачиваемой системой. Пары ртути, соприкасаясь с холодной поверхностью стенок насоса, конденсируются и стекают в резервуар в нижней части корпуса насоса. Газ откачивается через патрубок 7. Так же как и механические насосы, пароструйные изготовляются двух- и трехступенными.