Che cos'è un gas ballast e come funziona?
Il dispositivo di gas ballast sviluppato nel 1935 da Wolfgang Gaede inibisce il verificarsi della condensazione del vapore nella pompa. Il dispositivo di gas ballast utilizzato nelle pompe rotative a palette, nelle pompe rotative a stantuffo e in quelle trocoidali, consente non solo il pompaggio dei gas permanenti, ma anche di quantità ancora maggiori di gas condensabili.
Vantaggi del gas ballast
Il dispositivo di gas ballast (vedere la Fig. 2.13) previene la condensazione dei vapori nella camera della pompa. Quando si pompano i vapori, questi possono essere compressi solo fino alla relativa pressione del vapore di saturazione alla temperatura della pompa. Se si pompa vapore acqueo, ad esempio, a una temperatura della pompa di 70 °C (158 °F), il vapore può essere compresso solo a 312 mbar [pressione del vapore di saturazione dell'acqua a 70 °C (158 °F) (vedere Tabella XIII )]. Comprimendo ulteriormente, il vapore acqueo condensa senza che la pressione aumenti. Non si crea sovrappressione nella pompa e la valvola di scarico non si apre. Al contrario, il vapore acqueo rimane come acqua nella pompa e si emulsiona con l'olio della pompa. Ciò compromette molto rapidamente le proprietà lubrificanti dell'olio e la pompa potrebbe anche grippare nel caso assorbisse troppa acqua.
Principio di funzionamento
Prima dell'inizio del processo di compressione vero e proprio (vedere la Fig. 2.13), una quantità d'aria definita con precisione ("il gas ballast") viene immessa nella camera della pompa. La quantità è tale che il rapporto di compressione della pompa si riduce a 10:1 max. Ora, i vapori aspirati dalla pompa possono essere compressi insieme al gas ballast, prima di raggiungere il punto di condensazione ed essere espulsi dalla stessa. La pressione parziale dei vapori aspirati non può comunque superare un certo valore. Questo deve essere così basso che, in caso di compressione di un fattore 10, i vapori non possano condensare alla temperatura di esercizio della pompa. Quando si pompa vapore acqueo, questo valore critico viene definito "tolleranza al vapore acqueo".
Il processo di pompaggio, mostrato schematicamente in Fig. 2.14, è un processo di pompaggio con e senza gas ballast, in una pompa rotativa a palette, con pompaggio di vapori condensabili.
Quando si pompano i vapori devono essere soddisfatti due requisiti:
1) La pompa deve essere alla temperatura di esercizio.
2) La valvola del gas ballast deve essere aperta.
(Con la valvola del gas ballast aperta, la temperatura della pompa aumenta di circa 10 °C (50 °F). Prima di pompare i vapori, la pompa deve essere fatta funzionare per mezz'ora con la valvola del gas ballast aperta).
Tabella XIII Pressione di saturazione p5 e densità di vapore e dell'acqua in un intervallo di temperatura da -100 °C (-148 °F) a +140 °C (+284 °F)
Fig. 2.13 Processo di lavoro all'interno di una pompa rotativa a palette con gas ballast
- 1-2 Aspirazione
- 2-5 Compressione
- 3-4 Ingresso gas ballast
- 5-6 Scarico
Fig. 2.14 Schema del processo di pompaggio in una pompa rotativa a palette senza e con dispositivo di gas ballast durante il pompaggio di sostanze condensabili.
a) Senza gas ballast
1) La pompa è collegata al serbatoio, che è già quasi svuotato dall'aria (70 mbar), e deve quindi trasportare principalmente particelle di vapore
2) La camera della pompa è separata dal serbatoio, inizia la compressione
3) Il contenuto della camera della pompa è già così compresso che il vapore condensa formando goccioline, la sovrappressione non è ancora stata raggiunta
4) Solo l'aria residua produce ora la sovrappressione richiesta e apre la valvola di scarico, ma il vapore si è già condensato e le goccioline sono precipitate nella pompa.
b) Con gas ballast
1) La pompa è collegata al serbatoio, che è già quasi svuotato dall'aria (70 mbar), e deve quindi trasportare principalmente particelle di vapore
2) La camera della pompa è separata dal serbatoio, ora si apre la valvola del gas ballast, attraverso la quale la camera della pompa viene riempita con aria aggiuntiva dall'esterno, questa aria aggiuntiva è detto gas ballast
3) La valvola di scarico viene aperta e le particelle di vapore e gas vengono espulse, la sovrappressione necessaria affinché ciò avvenga viene raggiunta molto presto a causa dell'aria del gas ballast supplementare, poiché all'inizio dell'intero processo di pompaggio non può crearsi condensa
4) La pompa scarica ulteriore aria e vapore
Pompaggio simultaneo di gas e vapori
Quando si pompano simultaneamente gas permanenti e vapori condensabili da un sistema per vuoto, la quantità di gas permanente sarà spesso sufficiente a prevenire la condensazione dei vapori all'interno della pompa. La quantità di vapore che può essere pompato senza condensa nella pompa può essere calcolata come segue:
(2.1)
Dove: pvapor = pressione parziale del vapore all'ingresso della pompa.
pperm = pressione totale di tutti i gas permanenti pompati all'ingresso della pompa.
pvapor,sat = pressione di saturazione del vapore pompato, dipendente dalla temperatura (vedere la Fig. 2.15).
psum = pexhaust + Δpvalve + Δpexhaust filter
Δpvalve = differenza di pressione attraverso la valvola di scarico che ammonta, a seconda del tipo di pompa e delle condizioni operative, a 0,2 ... 0,4 bar.
Δpexhaust filter = differenza di pressione attraverso il filtro di scarico pari a 0 ... 0,5 bar.
Fig. 2.15 Pressioni del vapore di saturazione: tabella con le temperature
Esempio
Con una pompa rotativa a palette dotata di un filtro esterno per nebbia d'olio collegato in serie, viene pompata una miscela di vapore acqueo e aria. Per l'applicazione dell'equazione (2.1), sono utilizzati i valori seguenti:
La pressione del vapore acqueo nella miscela aria/vapore acqueo non deve superare il 23% della pressione totale della miscela.
Tolleranza al vapore acqueo
Un caso speciale importante nelle considerazioni generali di cui sopra in merito al tema della tolleranza al vapore è quello del pompaggio di vapore acqueo. Secondo PNEUROP, la tolleranza al vapore acqueo è definita come segue:
"La tolleranza al vapore acqueo è la pressione più alta alla quale una pompa per vuoto, in condizioni di temperatura e pressione ambiente normali (20 °C/68 °F/, 1.013 mbar), può prelevare e trasportare continuamente vapore acqueo puro. È espressa in mbar". È indicata come PW,O.
Applicare l'equazione (2.3) a questo caso speciale significa:
(2.4)
Se per il gas ballast viene utilizzata aria atmosferica con il 50% di umidità, allora pvapor, g.b. = 13 mbar; con B/S = 0,10, un valore abituale nella pratica, e psum (pressione di scarico totale) = 1.330 mbar, la tolleranza al vapore acqueo pW,0 in funzione della temperatura della pompa è rappresentata dalla curva più bassa nel diagramma di Fig. 2.16. Le altre curve corrispondono al pompaggio di miscele vapore acqueo-aria per cui pperm = pair O), indicata dal simbolo pL in millibar. In questi casi, una quantità maggiore di pressione parziale del vapore acqueo pw può essere pompata come mostrato nel diagramma. I valori per pW,0 riportati a catalogo si riferiscono quindi al limite inferiore e sono conservativi.
Fig. 2.16 Pressione parziale pw del vapore acqueo che può essere pompato con la valvola del gas ballast aperta senza condensa nella pompa, in funzione della temperatura della pompa per varie pressioni parziali pL dell'aria. La curva più bassa corrisponde alla tolleranza al vapore acqueo pw,o della pompa.
Secondo l'equazione 2.4, un aumento del gas ballast B comporterebbe una maggiore tolleranza al vapore acqueo pW,0. Nella pratica, un aumento di B, soprattutto nel caso di pompe con gas ballast monostadio, è limitato dal fatto che il vuoto massimo raggiungibile per una pompa con gas ballast azionata con la valvola del gas ballast aperta peggiora all'aumentare del gas ballast B. Considerazioni simili valgono anche per l'equazione generale 2.3 per la tolleranza al vapore pvapor.
All'inizio di un processo di svuotamento, la pompa con gas ballast deve essere sempre azionata con la valvola del gas ballast aperta. Nella quasi totalità dei casi, sulla parete del serbatoio sarà presente un sottile strato d'acqua che evapora solo gradualmente. Per ottenere basse pressioni finali, la valvola del gas ballast deve essere chiusa solo dopo che il vapore è stato pompato fuori. Le pompe Leybold generalmente offrono una tolleranza al vapore acqueo compresa tra 33 e 66 mbar. Le pompe a due stadi possono offrire altri livelli di tolleranza al vapore acqueo corrispondenti al rapporto di compressione tra i loro stadi, a condizione che abbiano camere di pompaggio di dimensioni diverse.
Altri gas come zavorra
In genere, per il gas ballast viene utilizzata aria atmosferica. In casi speciali, quando si pompano gas esplosivi o tossici, ad esempio, possono essere utilizzati altri gas permanenti come gas nobili o azoto.
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Riferimenti
- Simboli del vuoto
- Glossario delle unità
- Riferimenti e fonti
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Riferimenti e fonti
Riferimenti, fonti e ulteriori letture riguardanti la i fondamenti della tecnologia del vuoto
