Поставка вакуумного оборудования по России
Москва,
ул.Большая Семеновская, д. 40
В соответствии с мировыми тенденциями цена на электроэнергию постоянно растет, вместе с ней повышаются требования сертифицирующих организаций к эффективности отдельных единиц оборудования. Данные решения накладывают дополнительные требования к исполнению и конструктивным решениям вакуумных печей, современные вакуумные установки становятся более экономичными по сравнению со старыми аналогами. Параллельно со снижением потребления систем нагрева проводятся разработки по оптимизации энергопотребления вакуумными системами.
Первоочередной задачей вакуумной системы является непрерывное обеспечение требуемого уровня вакуум. Все мероприятия по увеличению энергоэффективности не должны отрицательно влиять на работоспособность вакуумной системы. Предлагаемые вакуумные решения - маслозаполненные пластинчато-роторные вакуумные насосы , вакуумные насосы типа РУТС, диффузионные вакуумные насосы, винтовые вакуумные насосы, обладают необходимой надежностью в сложных промышленных применениях. Данная статья рассказывает о способах оптимизации энергопотребления конкретных компонентов вакуумной системы применяемых Oerlikon Leybold Vacuum GmbH. В статье описаны современные вакуумные решения, реализованные на основе винтовых вакуумных насосов SCREWLINE SP, DRYVAC и вакуумных насосов типа РУТС (RUVAC серии WH), для соответствия более высоким требованиям энергоэффективности.
Вакуумные системы в составе: маслозаполненный пластинчато-роторный вакуумный насос с вакуумным насосом типа РУТС, являются самым распространенным решением. Имея невысокую цену, они надежно работают в большинстве применений. В зависимости от внешних условий процесса в качестве вакуумного насоса предварительного разряжения устанавливают маслозаполненный пластинчато-роторный либо плунжерный (золотниковый). Плунжерные вакуумные насосы используются при необходимости вакуумирования среды, содержащей большое количество твердых частиц. Для проведения процессов отжига, закалки, отпуска, т.е. некритичные газовые нагрузки с незначительным влиянием среды на вакуумную систему, используются маслозаполненные пластинчато роторные насосы, имеющие минимальные совокупные затраты в период эксплуатации. В сравнении с плунжерными насосами пластинчато-роторные вакуумные насосы имеют меньшую цену (в 2 раза дешевле) и потребляют примерно на 5-10% меньше энергии (из-за полностью сбалансированной движущейся части). Существуют ли возможности по снижению энергопотребления?
Для проведения сложных процессов: пайка, карбюризация, спекание, большинство производителей вакуумных печей выбирают винтовые вакуумные насосы (SCREWLINE, DRYVAC) в качестве ступеней предварительного вакуумирования. Причинами в первую очередь является чувствительность маслозаполненных вакуумных насосов к откачиваемой среде, частые межсервисные интервалы. Современная тенденция такова, что несмотря на более высокую цену (в 1.5 раза дороже) предпочтение отдается винтовым вакуумным насосам. При расчете совокупных затрат за весь период эксплуатации винтовой вакуумный насос экономически оправдан (из-за необходимости в частой замене масла, и повышенному износу деталей в пластинчато-роторном насосе). При сравнении кривой энергопотребления винтовых насосов с характеристикой маслозаполненных насосов – преимущество оказывается у масляных средств откачки (примерно на 10%). Является ли это веской причиной выбора типа вакуумной системы?
Вакуумные насосы типа РУТС являются неотъемлемой частью вакуумной системы. Конструкция данных насосов не претерпела принципиальных изменений. Возможно ли оптимизировать энергопотребление вакуумных насосов типа РУТС используя современные технологии производства двигателей и инновационные системы управления?
В большинстве высоковакуумных печей установлены диффузионные вакуумные насосы для достижения давлений ниже 10-3мбар. Данный тип вакуумных насосов является надежным решением в условиях грязной среды. Один из недостатков это высокое энергопотребление в режиме прогрева и в режиме холостой работы вакуумного насоса. Возможно ли изменить данную ситуацию в будущем и какими мерами?
Современные конструктивные решения в пластинчато-роторных вакуумных насосах оптимальны с точки зрения энергопотребления. Вращающаяся масса (включая масло) минимизирована, внутреннее трение имеет низкий уровень (непосредственного контакта пластин с корпусом нет), в вакуумном насосе осуществляется адиабатическое сжатие (наибольший КПД теплового цикла). Энергопотребление данного типа вакуумных насосов гораздо меньше номинальной мощности электродвигателя. Например, номинальная мощность двигателя SOGEVAC SV630B – 15кВт, потребляемая мощность – 4-8кВт, в зависимости от конкретных условий процесса, при давлении 1мбар – 7,4 кВт. Современные вакуумные насосы укомплектованы электродвигателями по стандарту IE2. Дополнительной экономии можно добиться используя преобразователь частоты (данный способ не получил распространения из-за высоких затрат на преобразователь частоты, а также неочевидность последствий работы вакуумного насоса на нерасчетных скоростях вращения).
Основа винтовых вакуумных насосов Oerlikon Leybold Vacuum GmbH это ротор (винт) с переменным шагом винтовой линии. Данная конструкция позволяет осуществлять внутреннее сжатие с минимальными затратами энергии. Прочие технологии для осуществления безмаслянного сжатия с помощью пары роторов (многоступенчатых типа РУТС на одном валу, когтевые, винтовые с постоянным шагом) имеют высокое энергопотребление (т.к. процесс сжатия внешний).
Форма винта (зависимость шага по длине ротора) имеет большое значение на энергопотребление (Oerlikon Leybold Vacuum GmbH предлагает различные исполнения для различных рабочих режимов откачки). Винтовой насос производительностью порядка 600 м3/ч при давлении 1мбар потребляет около 10кВт.
В процессе развития винтовой технологии (винтовые насосы DRYVAC) энергопотребление является одним из значимых факторов. При параллельном улучшении формы ротора, электрического привода, преобразователя частоты достигается общий высокий результат энергопотребления. Потребление DRYVAC 650S при давлении 1 мбар – 6,9кВт.
В отличие от пластинчато-роторных для винтовых насосов преобразователь частоты являтеся преимуществом:становится возможным снижение производительности и точное соответствие требованиям проводимого процесса. Некоторые стадии процесса не требуют загрузки всей мощности вакуумной установки, особенно на режимах высоких давлений всасывания (например карбюризация). Плавный пуск и постепенное изменения производительности (без сверхнагрузки на двигатель), регулирование давления всасывания – те важные режимы, которые реализуются с помощью преобразователя частоты. Также возможно осуществление режима холостого хода, с наименьшими энергозатратами.
Все эти меры в совокупности с продуманной конструкцией, специальными уплотнениями делают вакуумный насос DRYVAC наиболее предпочтительным для проведения сложных процессов в вакуумных печах.
На сегодняшний день большинство используемых вакуумных насосов типа РУТС комплектованы стандартными фланцевыми двигателями и манжетным уплотнением. Для рядовых применений (без вредных факторов) такое исполнение допустимо, но при сложных условиях возникают неполадки:
Многие производители предлагают изолировать ротор герметичной металлической оболочкой. Данное решение полностью противоречит тенденциям энергоэффективности, т.к. ведет к значительному снижению КПД двигателя.
Oerlikon Leybold Vacuum GmbH предлагает более инновационное решение: охлаждаемый двигатель с герметичной обмоткой. Заливка обмотки двигателя происходит на заводе Oerlikon Leybold Vacuum GmbH, вакуумный насос имеет нормированную утечку. Данное решение получило распространение благодаря высокому КПД двигателя и надежности самого решения в ходе многолетней эксплуатации. Таким образом, вакуумный насос типа РУТС RUVAC серии WH имеет нормированную герметичность, что является необходимым для некоторых сложных процессов.
При рабочем давлении печи (1мбар) вакуумный насос типа РУТС RUVAC WH может работать при частотах до 120Гц (примерно 2 раза повышение производительности).
Диффузионные вакуумные насосы работают в высоковакуумной области и реализуют несколько иной принцип, чем вакуумные средства откачки, описанные выше (вакуумные насосы объемного действия). Внутри диффузионного насоса находится масло, которое испаряясь, создает струю, проходящую через проточную часть насоса. При молекулярном режиме течения частицы газа увлекаются струей масла. Струя масла конденсируется на охлаждаемых стенках вакуумного насоса и стекает вниз к области нагрева.
Являясь простым, нечувствительным к среде, вакуумным проверенным решением – диффузионный насос потребляет большое количество энергии.
Большая часть затрачиваемой энергии идет не на сжатие газа (до давления форвакуумной линии), а на постоянное испарение масла. Теплота испарения отводится водяной рубашкой вакуумного насоса. Благодаря своим достоинствам диффузионные насосы занимают прочное место в промышленном применении и, несмотря на высокое энергопотребление, ближайшее время не будут заменены другими средствами откачки (Турбомолекулярными насосами, криогенными средствами откачки), которые недостаточно надежны в процессах термообработки и имеют более высокую цену.
Основное направление это конструкция нагревательного блока. Многие производители используют нагревательные пластины, расположенные под масляной емкостью (бойлером). Это не самое эффективное решение, из-за различных потерь в передаче тепла (например, наличие воздушного зазора). Лучшим решением является расположение нагревательных элементов внутри масла, таким образом, улучшается теплообмен.
Значительная часть энергии тратится на фазу прогрева диффузионного насоса до рабочей температуры. Для сокращения времени прогрева важной деталью является минимальная масса вакуумного насоса. Энергия, потребляемая на нагрев частей вакуумного насоса, является потерянной. Диффузионные вакуумные насосы Oerlikon Leybold Vacuum GmbH (серии DIP и LEYBOJET) имеют на 25% меньшую массу, по сравнению с продуктами конкурентов.
Полная нагревательная мощность (100%) элементов требуется только на этапе прогрева. Рассматривая общий процесс работы диффузионного насоса это время относительно мало. Основную часть времени диффузионный насос работает в области высокого вакуума либо при закрытом клапане, т.е. при минимальной затрачиваемой мощности. Несмотря на данный факт, многие диффузионные насосы работают на полной мощности нагревательных элементов.
