Les pompes à diffusion d huile. 10/10/2016 PREVOST Christophe 1

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1 Les pompes à diffusion d huile 0/0/06 PREVOST Christophe

2 Une pompe centenaire toujours présente W.Gaede Pompe à mercure 96 Indépendamment du développement considérable des pompes dans le domaine du vide poussé et de l UHV plus sures et infiniment plus propres les pompes à diffusion d huile restent fréquemment employées : Langmuir Prix de revient modéré Grand débit Simplicité de leur construction Pompe à mercure 95 0/0/06 PREVOST Christophe

3 Principe de fonctionnement Action d évacuation d un jet de vapeur ininterrompu d un fluide moteur (molécules lourdes) qui s écoule à grande vitesse (supersonique). Les gaz évacués à basse pression (P k < 0, mbar) sont emportés par le jet de vapeur dans lequel ils pénètrent grâce à la diffusion moléculaire. «Captation» donc par le jet des molécules gazeuses à basse pression et «transfert» dans une zone à pression élevée. Puis condensation de la vapeur sur la paroi refroidie 0/0/06 PREVOST Christophe 3

4 Théorie et mécanisme de fonctionnement La théorie complète reste à faire. Les progrès sont dû plutôt à des recherches empiriques qu à des calculs Régime moléculaire pour le gaz, condition d établissement du jet. En dessous EE : courant de molécules dirigées vers le bas, de vitesse u constante de la vapeur et courant de diffusion de sens opposé. A l équilibre : n dn.u D dx 0 dn n dp p Ldp PL u.l Ln 0 p P0 D A condition que D soit petit (n suffisament grand) 4 8R.T D. 3n P.d. M L, rapport de pressions partielles de gaz entre plans, peut être grand. P 0 u D dx 0/0/06 PREVOST Christophe 4

5 Théorie et mécanisme de fonctionnement La théorie complète reste à faire. Les progrès sont dus plutôt à des recherches empiriques qu à des calculs. Vitesse de pompage maximale : toutes les molécules qui traversent la couronne de diffusion sont pompées moins la diffusion en retour: D dn dt S 3n. m 4 ( k.n 4 dn. dt 8R.T..d M dn.vm D )A dx dn. S n dt Diffusion faible S indépendant de la pression et inversement proportionnelle à (M ) / Lorsque p secondaire diminue le second terme croit jusqu à S = 0 A : aire de la couronne 0 < k < : coefficient de Ho qui mesure l efficacité de la pompe ( 4 k.v m D n dn. dx )A 0/0/06 PREVOST Christophe 5

6 Théorie et mécanisme de fonctionnement La théorie précédente est basée sur un schéma très simplifié du processus d évacuation et ne tient pas compte de l inhomogénéité du jet de vapeur due à son écoulement hors de l ajustage à une vitesse supersonique. La concentration du gaz dans le jet et le long de la paroi de pompe dépend de la structure du jet. La masse volumique du jet de vapeur est grand dans la partie centrale du jet et près de l ajustage, elle diminue vite latéralement et le long du jet Partie A concentration de gaz faible Partie B concentration de gaz grande n = N v Les molécules légères et peu nombreuses qui pénètrent dans la zone de diffusion du jet entrent en collision avec celles de la vapeur lourdes, rapides et abondantes. Elles acquièrent les mêmes vitesse que ces molécules dans la direction du jet. 0/0/06 PREVOST Christophe 6

7 Théorie et mécanisme de fonctionnement La vitesse de pompage dépend des dimensions du jet, donc de la répartition de sa concentration et de sa longueur L D dn 4 8R.T ( k.v. )A D. 4 n dx 3n S m L faible, le noyau dense approche de la paroi ce qui gène la diffusion du gaz L augmente, la vitesse croit. Il existe un maximum lorsque L varie L trop grand, la concentration de vapeur diminue le long du jet ce qui a pour conséquence d augmenter la diffusion inverse vers l admission de la pompe. Lorsque toutes les molécules qui traversent la surface A entre paroi de la pompe et ajustage sont évacuées : Smax m v 4. A.d. M 0/0/06 PREVOST Christophe 7

8 Théorie et mécanisme de fonctionnement La pompe ne commence à fonctionner Pu > Pu k (amorçage) S croit car il y a augmentation de la concentration et de la vitesse du jet ainsi que diminution de diffusion inverse S décroit après être passé par un maximum car il y a notamment augmentation du noyau dense du jet et donc amincissement de la zone de diffusion. La surchauffe de l huile et sa décomposition en fractions légères augmente la quantité des gaz à pomper. L augmentation du noyau dense du jet lorsque Pu augmente permet de fonctionner à plus haute contre-pression. La pression critique p k à laquelle la pompe s amorce croit. L augmentation de la pression limite p est due notamment à celle du nombre de molécules de vapeur d huile rétrodiffusées en raison du jet plus important. 0/0/06 PREVOST Christophe 8

9 Pompe à plusieurs étages p 3.S 3 = p.s = p.s = p 0.S 0 Les étages préliminaires, coté vide grossier, sont destinés à diminuer la chute de pression p p 3 que doit supporter le dernier étage dont dépendent la pression limite et le débit de la pompe. Ces étages préliminaires permettent le fonctionnement de la pompe à une pression de refoulement plus haute. La largeur des jets pour les étages préliminaires diminue rapidement. Pour le premier étage, qui fonctionne en partie comme un éjecteur, la section de sortie de l ajustage est plus grande. L étage à l admission a un jet de plus grande largeur. Le débit de la pompe est d autant plus grand que ce jet est large mais la diminution de la concentration de vapeur près de la paroi nécessite dans ce cas un meilleur vide préliminaire (diffusion en retour). 0/0/06 PREVOST Christophe 9

10 Caractéristiques principales S augmente rapidement lorsque p d admission approche p k (qq 0 - mbar) et diminue rapidement lorsqu elle approche p. Entre les deux valeur elle est pratiquement constante. L augmentation de la pression primaire génère une diminution de S. Pour une certaine valeur de cette pression S devient nulle (plus de gaz diffusé en retour par la zone de diffusion du jet). Lorsque la pression critique est atteinte, l action de séparation et d évacuation du jet cesse : le jet se déchire. Plus la puissance du jet est importante, plus la pression critique p K est grande. 0/0/06 PREVOST Christophe 0

11 Caractéristiques principales Pression limite (qq 0-7 à qq 0-0 mbar) : Le degrés de diffusion du gaz dans le jet et donc la pression limite dépend de la pureté du jet (pression partielle du contenu gazeux). Ainsi une partie du gaz entrainée par la vapeur lors de sa condensation sur la paroi est dissoute dans le condensat et passe avec lui dans la chaudière pour être emporté à nouveau vers l ajustage. Malgré les pièges à l admission pour capturer les vapeurs d huile, une pression minimale de ses vapeur s établit dans cette région. Si des mesures de piégeage n ont pas été prises (condensation), la pression limite est déterminée par la pression de vapeur saturante de l huile choisie à la température de la paroi de la pompe. La propreté des parois de la pompe et par conséquent leur dégazage a également une influence sur la pression limite. 0/0/06 PREVOST Christophe

12 L huile Quantité de vapeur : : alimentation du jet + supplément pour maintenir les cheminées à leur température de fonctionnement. Ecart de température entre les ajustages inférieurs et supérieurs : qq degrés (vapeur : expansion et huile chaudière : condensats qui s écoule dans la périphérie) Les conduites bonnes conductrices (Cu nickelé, Al) sont plongées dans l huile de la chaudière pour maintenir leur T. Raisons importantes de disfonctionnement : Température trop basse de l huile et des vapeurs : mauvais fonctionnement de la pompe forte p et diminution de S. Température trop élevée de l huile et des vapeurs : décomposition de l huile en hydrocarbures à haute pression de vapeur saturante et dispersion du jet forte p et diminution de S. Contact avec l air : cracking thermique ou chimique de l huile, enrichissement en fractions légères. A froid, dissolution de gaz. Il existe une Pu optimale Niveau d huile ; maintien sous vide de la pompe 0/0/06 PREVOST Christophe 4

13 Reflux de l huile Le reflux dépend : De la dispersion du jet Du condensat sur les parois dans la partie supérieure de la pompe De la condensation partielle des vapeur sur les ajustages Branchement : Le régime thermique et le fonctionnement sont atteints successivement en allant du bas vers le haut. L huile se condense sur le dernier étage lorsque son régime n est pas atteint et l huile tombe sur l étage inférieur chaud où elle s évapore créant un reflux considérable. Débranchement : C est le dernier étage qui se refroidit le premier et le même processus se reproduit. => Baffle et piège, vanne d isolation et bypass. 0/0/06 PREVOST Christophe 5

14 Construction Baffle refroidit Barre massive : transmission de chaleur Refoulement courbé vers le haut : non refoulement de l huile vers la PPM Pompe fractionnante : le er étage sert d éjecteur Pas refroidi : dégazage de l huile (gaz dissous) Chaudière à fond plat : chauffage homogène de l huile Pompe fractionnante : Cracking thermique, oxydation, réaction entre huile et matériau de la pompe enrichissent l huile en fractions légères retour en 0/0/06 PREVOST Christophe 6

15 Construction Les Boosters : L amorçage des PS à huile de grande vitesse à 0 -, 0 - mbar avec des pompes à palettes pose problème : vitesse faible à ces pressions (p 0.S 0 = P 3.S 3 ) le premier étage fonctionne en éjecteur Utilisation possible d une pompe Roots 0/0/06 PREVOST Christophe 7

16 En résumé Prix de revient modéré. Grand débit. Mais rétrodiffusion. Tout disfonctionnement se traduit par une pollution importante des enceintes (incidents de PPM, de chauffage, de refroidissement, fuites ). Précautions d emploi : Niveau d huile (dégradation de p et S). Entretien de la PPM : p k ( rétrodiffusion, dégradation de l huile, de p et S). Utilisation d une vanne de cloisonnement pour les phases de démarrage et d arrêt (rétrodiffusion). Pré pompage convenable de l enceinte (p k rétrodiffusion) Maintien du refroidissement à l arrêt de la pompe (dégradation de l huile, de p ). Maintien de la pompe sous vide (dissolution des gaz et oxydation de l huile entrainant une de p ) 0/0/06 PREVOST Christophe 8