Cos'è una perdita e come misurare il tasso di perdita nei sistemi a vuoto?
Oltre ai sistemi per vuoto stessi e ai singoli componenti utilizzati nella loro costruzione (camere per vuoto, tubazioni, valvole, connessioni smontabili [flange], strumenti di misurazione, ecc.), nell'industria e nella ricerca si trovano numerosi altri sistemi e prodotti che devono soddisfare severi requisiti in materia di perdite o di creazione di una cosiddetta tenuta "ermetica". Tra questi, vi sono molti assiemi e processi, in particolare nel settore automobilistico e della refrigerazione, ma anche in molti altri settori industriali. In questo caso, la pressione di esercizio è spesso superiore alla pressione ambiente. Qui con "sigillato ermeticamente" s'intende solo una relativa "assenza di perdite". Dichiarazioni generalizzate, come "assenza di perdite rilevabili" o "tasso di perdita zero", non rappresentano una base adeguata per i test di accettazione. Ogni tecnico esperto sa che le specifiche di accettazione formulate correttamente indicano un determinato tasso di perdita (vedere di seguito) in condizioni definite. Il tasso di perdita accettabile è determinato anche dall'applicazione stessa.
Tipi di perdite
La differenziazione avviene tra le seguenti perdite, a seconda della natura del materiale o del difetto della giunzione:
- Perdite in collegamenti smontabili: flange, superfici di accoppiamento a terra, coperchi
- Perdite in collegamenti permanenti: cordoni di brasatura e saldatura, giunti incollati
- Perdite dovute alla porosità: in particolare in seguito a deformazione meccanica (piegatura!) o lavorazione termica di materiali policristallini e componenti stampati
- Perdite termiche (reversibili): apertura a temperature estreme (caldo/freddo), soprattutto in corrispondenza dei giunti di saldatura
- Perdite apparenti (virtuali): le quantità di gas vengono liberate da fori e cavità all'interno di parti di fusione, fori ciechi e giunti (anche a causa dell'evaporazione di liquidi)
- Perdite indirette: perdite nelle tubazioni di alimentazione degli impianti o nei forni per vuoto (acqua, aria compressa, nebbia salina)
- "Perdite seriali": si tratta della perdita alla fine di più "spazi collegati in serie", ad esempio una perdita nella sezione riempita di olio della coppa dell'olio in una pompa rotativa a palette
- "Perdite a senso unico": consentono il passaggio del gas in una direzione, ma sono a tenuta nella direzione opposta (molto raramente). Un'area non a tenuta di gas, ma che non perde, nel senso che è presente un difetto è la
- Permeazione (permeabilità naturale) del gas attraverso materiali quali tubi flessibili in gomma, guarnizioni in elastomero, ecc. (a meno che queste parti non siano diventate fragili e quindi "perdono").
Calcolo del tasso di perdita, delle dimensioni della perdita e del flusso di massa
Nessun dispositivo o sistema per vuoto può mai essere completamente a tenuta di vuoto e non lo deve necessariamente essere. La cosa semplicemente essenziale è che il tasso di perdita sia sufficientemente basso da non influire sulla pressione di esercizio, sull'equilibrio del gas e sulla pressione finale nel contenitore sottovuoto. Ne consegue che i requisiti relativi alla tenuta dei gas di un apparato sono tanto più severi quanto più basso è il livello di pressione richiesto. Per poter registrare le perdite in maniera quantitativa, è stato introdotto il concetto di "tasso di perdita", indicato dal simbolo QL e misurato in mbar · l/s o cm3/s (STP). È presente un tasso di perdita QL = 1 mbar · l/s quando in un serbatoio chiuso e sottovuoto avente un volume di 1 l, la pressione aumenta di 1 mbar al secondo o, in presenza di pressione positiva nel contenitore, la pressione scende di 1 mbar. Il tasso di perdita QL definito come misura della perdita è normalmente specificato nell'unità di misura mbar · l/s. Con l'aiuto dell'equazione di stato (1.7), è possibile calcolare QL quando sono noti la temperatura T e il tipo di gas M, registrandola quantitativamente come flusso di massa, ad esempio nell'unità di misura g/s. La relazione appropriata è quindi:
(1.7)
(5.1)
dove R = 83,14 mbar · l/mol · K, T = temperatura in K, M = massa molare in g/mole, Δm per la massa in g, Δt è il periodo di tempo in secondi. Viene quindi utilizzata l'equazione 5.1
a) per determinare il flusso di massa Δm/Δt con un flusso di gas pV noto di Δp · V/Δt (vedere in questo contesto la pagina sul test di aumento della pressione) o
b) per determinare il flusso di gas di perdita pV, noto il flusso di massa (vedere l'esempio seguente).
Esempio per il precedente caso b):
un sistema di refrigerazione che utilizza Freon (R 12) mostra una perdita di refrigerante di 1 g di Freon all'anno (a 25 °C o 77 °F). Quanto è grande la perdita di gas QL? Secondo l'equazione 5.1, per M(R12) = 121 g/mole:
Pertanto, la perdita di Freon è pari a QL = 6,5 · 10–6 mbar · l/s. Secondo la "regola empirica" per i sistemi per vuoto alto riportata di seguito, il sistema di refrigerazione citato in questo esempio può essere considerato avere una tenuta molto elevata. Ulteriori conversioni per QL sono illustrate nelle tabelle VIIa e VIIb del Capitolo 9.
Tabella VIIa Conversione delle unità di capacità (Qpv): unità (tasso di perdita)
Tabella VIIb Conversione delle unità di capacità (QpV): unità (tasso di perdita)
Tasso di perdita totale < 10-6 mbar · l/s: l'apparecchiatura ha una tenuta molto elevata
Tasso di perdita totale 10-5 mbar · l/s: l'apparecchiatura ha una tenuta sufficiente
Tasso di perdita totale > 10-4 mbar · l/s: l'apparecchiatura presenta perdite
Una perdita può infatti essere "compensata" da una pompa di capacità sufficiente poiché (ad esempio alla pressione finale pend senza considerare il gas liberato dalle superfici interne):
(5.2)
(Q L tasso di perdita, Seff velocità di pompaggio effettiva alla pressione del serbatoio)
Se Seff è sufficientemente elevata, è possibile, indipendentemente dal valore del tasso di perdita QL, ottenere sempre una pressione finale predeterminata pend. In pratica, tuttavia, un aumento infinito di Seff si scontrerà con limiti economici e tecnici (come lo spazio richiesto dal sistema).
Quando non è possibile ottenere la pressione finale desiderata in un apparecchiatura, di solito si possono individuare due cause: la presenza di perdite e/o di gas liberati dalle pareti del contenitore e dai sigillanti.
È possibile utilizzare l'analisi della pressione parziale utilizzando uno spettrometro di massa o il metodo di aumento della pressione per distinguere tra queste due cause. Poiché il metodo di aumento della pressione dimostra solo la presenza di una perdita senza indicarne la posizione nell'apparecchio, si consiglia di utilizzare un rilevatore di perdite di elio con il quale, in generale, queste possono essere localizzate molto più rapidamente.
Per ottenere una panoramica della correlazione tra le dimensioni geometriche del foro e il tasso di perdita associato, è possibile operare sulla base delle seguenti stime approssimate: un foro circolare di 1 cm di diametro nella parete di un serbatoio per vuoto viene chiuso con una valvola a saracinesca. All'esterno, prevale la pressione atmosferica, all'interno, il vuoto. Quando la valvola viene improvvisamente aperta, tutte le molecole d'aria in un cilindro di 1 cm (0,39 pollici) di diametro e 330 m (1.082 piedi) di altezza "cadono nel foro" alla velocità del suono (330 m/s) nell'arco di 1 secondo. La quantità che fluisce nel serbatoio ogni secondo sarà di 1013 mbar volte il volume del cilindro (vedere la Fig. 5.1). Il risultato è che per un foro da 1 cm di diametro QL (aria) sarà pari a 2,6 · 104 mbar · l/s. Se tutte le altre condizioni vengono mantenute identiche e l'elio viene lasciato fluire nel foro alla sua velocità del suono di 970 m/s, in modo analogo QL (elio) raggiungerà i 7,7 · 10+4 mbar · l/s, vale a dire una corrente di gas di perdita pV superiore di un fattore 970/330 = 2,94. Questa maggiore "sensibilità" dell'elio viene utilizzata nella pratica per il rilevamento delle perdite e ha portato allo sviluppo e alla produzione di massa di rilevatori di perdite a base di elio altamente sensibili (vedere la pagina sui rilevatori di perdite con spettrometri di massa).
Fig. 5.1 Correlazione tra il tasso di perdita e le dimensioni del foro
Nella Figura 5.1 è mostrata la correlazione tra il tasso di perdita e le dimensioni del foro per l'aria, con un valore di approssimazione di QL(aria) di 10+4 mbar · l/s per un "foro da 1 cm". La tabella mostra che quando il diametro del foro è ridotto a 1 μm (= 0,001 mm), il tasso di perdita arriverà a 10-4 mbar · l/s, un valore che nella tecnologia del vuoto rappresenta già una perdita grave (vedere la regola di cui sopra). Un tasso di perdita di 10-12 mbar · l/s corrisponde a un diametro del foro di 1 Å; questo è il limite di rilevamento inferiore per i moderni rilevatori di perdite di elio. Poiché le costanti della griglia per molti solidi sono di diversi Å e il diametro di molecole e atomi più piccoli (H2, He) è di circa 1 Å, la permeazione intrinseca da parte dei solidi può essere registrata metrologicamente utilizzando rilevatori di perdite di elio. Ciò ha portato allo sviluppo di perdite di riferimento calibrate con tassi di perdita molto ridotti (vedere la pagina sulla calibrazione dei rilevatori di perdite). Questa è una "mancanza di tenuta" misurabile ma non una "perdita", nel senso di un difetto nel materiale o nel giunto. Le stime o le misurazioni delle dimensioni di atomi, molecole, virus, batteri, ecc. hanno spesso dato origine a termini utilizzati quotidianamente come "a tenuta stagna" o "a tenuta di batteri"; vedere la Tabella 5.1.
Nella Figura 5.2 sono riportati la natura e i limiti di rilevamento dei metodi di rilevamento delle perdite utilizzati di frequente.
Tabella 5.1 Stima dei tassi di perdite ai limiti della norma. Rispetto al vapore, è necessario distinguere tra solidi idrofili e solidi idrofobici. Ciò vale anche per batteri e virus, essendo questi trasportati principalmente in soluzioni.
Fig. 5.2 Intervalli dei tassi di perdita per vari processi e dispositivi di rilevamento delle perdite
Tasso di perdita standard dell'elio
Per una definizione univoca di una perdita sono, innanzitutto, necessarie le specifiche delle pressioni prevalenti su entrambi i lati della partizione e, in secondo luogo, la natura del mezzo che passa attraverso tale partizione (viscosità) o la sua massa molare. La denominazione "perdita standard di elio" (He Std) è diventata abituale per designare una situazione, rilevata di frequente nella pratica, in cui il test viene eseguito utilizzando elio con 1 bar di differenza tra la pressione atmosferica (esterna) e il vuoto all'interno di un sistema (interno, p < 1 mbar), la denominazione "tasso di perdita standard dell'elio" è diventata ormai consueta. Per indicare il tasso di scarto di un test con elio in condizioni standard, è necessario prima convertire le condizioni reali di utilizzo in condizioni standard di elio (vedere la sezione seguente sulle equazioni di conversione). Alcuni esempi di tali conversioni sono illustrati nella Figura 5.3.
Fig. 5.3 Esempi di conversione in tassi di perdita standard dell'elio
Equazioni di conversione
Quando si calcolano le relazioni tra pressione e tipi di gas (viscosità), è necessario tenere presente che al flusso laminare e molecolare si applicano equazioni diverse; il limite tra queste aree è molto difficile da accertare. Come linea guida, si può presumere che vi sia flusso laminare con tassi di perdita QL > 10-5 mbar · l/s e flusso molecolare con tassi di perdita QL < 10-7 mbar · l/s. Nella gamma intermedia, il fabbricante (responsabile in base ai termini della garanzia) deve ipotizzare valori conservativi. Le equazioni sono riportate nella Tabella 5.2.
Gli indici "I" e "II" fanno riferimento a uno o all'altro rapporto di pressione e gli indici "1" e "2" fanno riferimento rispettivamente all'interno e all'esterno del punto di perdita.
Tabella 5.2 Formule di conversione per variazioni della pressione e tipo di gas
Termini e definizioni
Durante la ricerca di perdite, è generalmente necessario distinguere tra due attività:
- Localizzazione delle perdite e
- Misurazione del tasso di perdita.
Inoltre, distinguiamo, in base alla direzione del flusso del fluido, tra
a. metodo del vuoto (noto anche come "perdita dall'esterno all'interno"), in cui la direzione del flusso è verso il campione di prova (la pressione all'interno del campione è inferiore alla pressione ambiente) e
b. metodo della pressione positiva (spesso definito "perdita dall'interno all'esterno"), in cui il fluido passa dall'interno del campione di prova all'esterno (la pressione all'interno del campione è superiore alla pressione ambiente).
Ove possibile, i campioni devono essere esaminati in una configurazione corrispondente alla loro applicazione più recente: componenti per applicazioni sottovuoto con utilizzo del metodo del vuoto e utilizzo del metodo a pressione positiva per parti che verranno pressurizzate all'interno. Quando si misurano le perdite, si distingue tra la registrazione
a. di perdite individuali (misurazione locale): schemi b e d nella Figura 5.4 e
b. del totale di tutte le perdite nel campione di prova (misurazione integrale): schemi a e c nella Figura 5.4.
Figura 5.4 Tecniche e terminologia dei test delle perdite.
a: Rilevamento di perdite integrali; vuoto all'interno del campione
b: Rilevamento di perdite locali; vuoto all'interno del campione
c: Rilevamento di perdite integrali (arricchimento del gas di prova all'interno del contenitore); gas di prova pressurizzato all'interno del campione
d: Rilevamento di perdite locali; gas di prova pressurizzato all'interno del campione
Il tasso di perdita non più tollerabile in conformità alle specifiche di accettazione è noto come tasso di scarto. Il suo calcolo si basa sulla condizione che il campione di prova non venga meno durante il periodo di utilizzo pianificato a causa di guasti causati da perdite e questo fino a un certo grado di certezza. Spesso non si tratta del tasso di perdita per il campione di prova in condizioni operative normali, ma piuttosto del tasso di produzione di un gas di prova, principalmente elio, in condizioni di prova. I valori così ottenuti dovranno essere convertiti in modo da corrispondere alla situazione di applicazione effettiva in relazione alle pressioni all'interno e all'esterno del campione di prova e al tipo di gas (o liquido) da trattare.
In presenza di vuoto all'interno del campione di prova (p < 1 mbar), pressione atmosferica all'esterno ed elio come gas di prova, ci si riferisce a queste come a condizioni standard dell'elio. Durante il rilevamento delle perdite di elio in un sistema per vuoto alto, sono sempre presenti condizioni standard di elio quando il sistema è collegato a un rilevatore di perdite e viene irrorato con elio (tecnica di nebulizzazione). Se il campione viene evacuato esclusivamente dal rilevatore di perdite, si dice che il rilevatore di perdite funziona in modalità a flusso diretto. Se il campione è di per sé un sistema per vuoto completo, con la propria pompa per vuoto, e se il rilevatore di perdite opera in parallelo alle pompe del sistema, questa viene detta modalità a flusso parziale. Si fa inoltre riferimento alla modalità a flusso parziale quando una pompa ausiliaria separata viene utilizzata in parallelo al rilevatore di perdite.
Quando si utilizza il metodo a pressione positiva, a volte è impraticabile o addirittura impossibile misurare direttamente il tasso di perdita, mentre questo potrebbe essere rilevato sicuramente utilizzando un contenitore nel quale racchiudere il campione di prova. La misurazione può essere effettuata collegando tale contenitore al rilevatore di perdite o mediante accumulo (aumentando la concentrazione) del gas di prova all'interno del contenitore. Il "test di bombardamento" è una versione speciale del test di accumulo (vedere la pagina sui test integrali e industriali). Nella cosiddetta tecnica di sniffer, un'altra variante della tecnica a pressione positiva, il gas (di prova) fuoriuscito dalle perdite viene raccolto (estratto) da uno speciale apparecchio e inviato al rilevatore di perdite. Questa procedura può essere eseguita utilizzando elio, refrigeranti o SF6 come gas di prova.
Fondamenti della tecnologia del vuoto
Scarica il nostro e-book "Fondamenti della tecnologia del vuoto" per scoprire i processi e gli elementi fondamentali delle pompe per vuoto.
Riferimenti
- Simboli del vuoto
- Glossario delle unità
- Riferimenti e fonti
Simboli del vuoto
Glossario dei simboli comunemente utilizzati negli schemi della tecnologia del vuoto come rappresentazione visiva dei tipi di pompe e delle parti dei sistemi di pompaggio
Glossario delle unità
Panoramica delle unità di misura utilizzate nella tecnologia del vuoto e dell'importanza dei simboli, nonché degli equivalenti moderni delle unità storiche
Riferimenti e fonti
Riferimenti, fonti e ulteriori letture riguardanti la i fondamenti della tecnologia del vuoto
