Come funzionano le pompe per vuoto a getto di vapore?
Introduzione alle pompe a trascinamento di fluidi
Si distingue tra le pompe a eiettore come le pompe a getto d'acqua (17 mbar < p < 1013 mbar), le pompe per vuoto a eiettore di vapore (10-3 mbar < p < 10-1 mbar) e le pompe a diffusione (p < 10-3 mbar). Le pompe per vuoto a eiettore sono utilizzate principalmente per la generazione di vuoto medio. Le pompe a diffusione generano vuoto alto e ultra alto. Entrambi i tipi funzionano con un flusso rapido di fluido della pompa sotto forma di vapore o liquido (getto d'acqua, vapore acqueo, d'olio o di mercurio). Il meccanismo di pompaggio di tutte le pompe a trascinamento di fluidi è sostanzialmente lo stesso. Le molecole di gas pompate vengono rimosse dal serbatoio ed entrano nel flusso del liquido della pompa, che si espande dopo il passaggio attraverso un ugello. Le molecole del flusso del liquido della pompa vengono trasferite, tramite impulsi a impatto alle molecole di gas, nella direzione del flusso. Quindi, il gas da pompare viene spostato in uno spazio a pressione più elevata.
Nelle pompe a trascinamento di fluidi, corrispondenti pressioni di vapore si manifestano durante il funzionamento, a seconda del tipo di liquido della pompa, della temperatura e del design dell'ugello. Nel caso delle pompe a diffusione d'olio, questa pressione può raggiungere 1 mbar nella camera di ebollizione. La contropressione nella pompa deve essere sufficientemente bassa da consentire la fuoriuscita del vapore. A tal fine, tali pompe richiedono pompe primarie adeguate, nella maggior parte dei casi di tipo meccanico. Il getto di vapore non può entrare nel serbatoio poiché si condensa sulle pareti esterne raffreddate della pompa dopo essere stato espulso attraverso l'ugello.
Principio di funzionamento delle pompe a trascinamento di fluidi
Wolfgang Gaede è stato il primo a capire che i gas a pressione relativamente bassa possono essere pompati con l'aiuto di un flusso del liquido della pompa a una pressione fondamentalmente più elevata e che, grazie a questo, le molecole di gas provenienti da una regione a bassa pressione totale si spostano in una regione ad alta pressione totale. Questa condizione apparentemente paradossale si verifica quando il flusso di vapore è inizialmente completamente privo di gas, per cui i gas provenienti da una regione con una pressione parziale del gas più elevata (il serbatoio) possono diffondersi in una regione con una pressione parziale del gas più bassa (il flusso di vapore). Questo concetto base di Gaede è stato utilizzato da Langmuir (1915) per la costruzione della prima pompa a diffusione moderna. Le prime pompe a diffusione erano pompe a diffusione di mercurio in vetro, successivamente realizzate in metallo. Negli anni Sessanta, il mercurio, come mezzo di trasferimento, è stato quasi completamente sostituito dall'olio. Per ottenere una velocità del flusso di vapore più elevata possibile, egli consentì al flusso di vapore di fuoriuscire da un ugello a velocità supersonica. Il vapore del liquido della pompa, che costituisce il getto di vapore, si condensa sulla parete raffreddata dell'alloggiamento della pompa, mentre il gas trasportato viene ulteriormente compresso, solitamente in una o più fasi successive, prima di essere rimosso dalla pompa primaria. I rapporti di compressione, ottenibili con le pompe a trascinamento di fluidi, sono molto elevati: con una pressione di 10-9 mbar alla luce di ingresso della pompa a trascinamento di fluidi e una contropressione di 10-2 mbar, il gas pompato viene compresso di un fattore di 107!
Tipi di pompe a trascinamento di fluidi
La pressione finale delle pompe a trascinamento di fluidi è limitata dal valore della pressione parziale del fluido utilizzato alla temperatura di esercizio della pompa. In pratica, si cerca di migliorare il risultato introducendo deflettori o trappole fredde. Si tratta di condensatori inseriti tra la pompa a trascinamento di fluidi e la camera a vuoto, in modo che la pressione finale raggiungibile nella camera a vuoto sia ora limitata solo dalla pressione parziale del fluido alla temperatura del deflettore.
I vari tipi di pompe di a trascinamento di fluidi si distinguono essenzialmente per la densità del liquido della pompa all'uscita dell'ugello superiore rivolto verso il lato di vuoto alto della pompa:
- Bassa densità di vapore: pompe a diffusione tra cui pompe a diffusione d'olio e pompe a diffusione di mercurio
- Elevata densità di vapore: pompe a getto di vapore, tra cui pompe a vapore acqueo, pompe a vapore d'olio e pompe a getto di vapore di mercurio
- Pompe combinate a diffusione d'olio/getto di vapore
- Pompe a getto d'acqua
Principio di funzionamento delle pompe a eiettore di vapori d'olio
L'azione di pompaggio di uno stadio con eiettore di vapore viene spiegata con l'ausilio della Fig. 2.46. Il liquido della pompa entra in condizioni di alta pressione p1 nell'ugello (1), realizzato come un ugello Laval. Si espande fino alla pressione di ingresso p2. In questa espansione, l'improvvisa variazione dell'energia è accompagnata da un aumento della velocità. Di conseguenza, il getto accelerato di vapore del liquido della pompa fluisce attraverso la regione del miscelatore (3), collegata al serbatoio (4) da evacuare. Qui le molecole di gas che arrivano dal serbatoio vengono trascinate insieme al getto di vapore. La miscela, vapore del liquido della pompa - gas entra ora nell'ugello del diffusore realizzato come un ugello Venturi (2). Qui la miscela di vapore e gas viene compressa alla contropressione p3 con una riduzione simultanea della velocità. Il vapore del liquido della pompa si condensa quindi sulle pareti della pompa, mentre il gas trattenuto viene rimosso dalla pompa primaria.
Fig 2.46 Funzionamento di una pompa a getto di vapore.
- Ugello (Laval)
- Ugello diffusore (Venturi)
- Camera di miscelazione
- Collegamento alla camera a vuoto
Le pompe a eiettore di vapore d'olio sono ideali per il pompaggio di grandi quantità di gas o vapore nell'intervallo di pressione compreso tra 1 e 10-3 mbar. La maggiore densità del flusso di vapore negli ugelli garantisce che la diffusione del gas pompato nel flusso di vapore abbia luogo molto più lentamente rispetto alle pompe a diffusione, per cui solo gli strati esterni del flusso di vapore vengono permeati dal gas. Inoltre, la superficie attraverso la quale si verifica la diffusione è molto più piccola a causa della speciale struttura degli ugelli. La velocità di pompaggio specifica delle pompe a eiettore di vapore è quindi inferiore a quella delle pompe a diffusione. Poiché il gas pompato nelle vicinanze del getto, sotto una pressione di ingresso fondamentalmente più alta, influenza in modo decisivo il percorso delle linee di flusso, le condizioni ottimali sono possibili solo a determinate pressioni di ingresso. Pertanto, la velocità di pompaggio non rimane costante verso le basse pressioni di ingresso. A causa dell'elevata densità e velocità del flusso di vapore, le pompe a eiettore di vapore d'olio sono in grado di trasportare gas con una contropressione relativamente elevata. La relativa contropressione critica è di pochi millibar. Le pompe a eiettore di vapore d'olio utilizzate attualmente nella tecnologia del vuoto hanno, in generale, uno o più stadi di diffusione e diverse stadi successivi dell'eiettore. Il sistema di ugelli del booster è composto da due stadi di diffusione e due stadi eiettore in cascata (vedere la Fig. 2.47). Gli stadi di diffusione forniscono un'elevata velocità di pompaggio compresa tra 10-4 e 10-3 mbar (vedere la Fig. 2.48), gli stadi dell'eiettore, l'elevata portata del di gas a pressioni elevate (vedere la Fig. 2.49) e l'elevata contropressione critica. L'insensibilità alla polvere e ai vapori disciolti nel liquido della pompa è ottenuta grazie a un'ampia caldaia e a un grande serbatoio del liquido della pompa. È possibile contenere grandi quantità di impurità nella caldaia senza compromettere le caratteristiche di pompaggio.
Fig. 2.47 Schema di una pompa a getto d'olio (booster).
Fig 2.48 Velocità di pompaggio di varie pompe di vapore in funzione della pressione di aspirazione correlata a una velocità di pompaggio nominale di 1.000 l/s. Fine dell'intervallo di funzionamento delle pompe a eiettore di vapori d'olio (A) e delle pompe a diffusione (B)
Fig. 2.49 Velocità di varie pompe di vapore (ricavate dalla Fig. 2.48)
Pompe a getto d'acqua ed eiettori di vapore
Nella categoria delle pompe a trascinamento di fluidi sono incluse non solo le pompe che utilizzano un flusso di vapore rapido come fluido della pompa, ma anche le pompe a getto liquido. Le pompe per vuoto più semplici ed economiche sono le pompe a getto d'acqua. Come in una pompa di vapore (vedere la Fig. 2.46 o 2.51), il flusso del liquido viene prima rilasciato da un ugello e quindi, a causa della turbolenza, mescolato con il gas pompato nella camera di miscelazione. Infine, il movimento della miscela di acqua e gas viene rallentato in un tubo Venturi. La pressione totale finale in un contenitore causata da una pompa a getto d'acqua è determinata dalla pressione di vapore dell'acqua e, ad esempio, a una temperatura dell'acqua di 15 °C (59 °F) corrisponde a circa 17 mbar.
Fig 2.46 Funzionamento di una pompa a getto di vapore.
- Ugello (Laval)
- Ugello diffusore (Venturi)
- Camera di miscelazione
- Collegamento alla camera a vuoto
Fig 2.51 Rappresentazione schematica del funzionamento di una pompa a eiettore di vapore.
- Ingresso del vapore
- Ugello di scarico
- Diffusore
- Area di miscelazione
- Collegamento alla camera a vuoto
Le pompe a eiettore di vapore consentono di ottenere velocità di pompaggio fondamentalmente più elevate e pressioni finali più basse. La Fig. 2.51 mostra uno stadio visto in sezione. I contrassegni corrispondono a quelli illustrati nella Fig. 2.46. Nella pratica, diversi stadi di pompaggio sono solitamente collegati in cascata. Per le attività di laboratorio, sono adatte combinazioni di pompe a due stadi, costituite da uno stadio con eiettore di vapore e da uno stadio a getto d'acqua (primario), entrambi realizzati in vetro. Lo stadio primario a getto d'acqua consente il funzionamento senza altre pompe primarie di supporto. Con l'aiuto di un flusso di vapore in sovrappressione, la camera a vuoto può essere evacuata fino a una pressione finale di circa 3 mbar. La condensa proveniente dal vapore viene scaricata attraverso il raccordo di scarico. Lo stadio a getto d'acqua di questa pompa viene raffreddato con acqua per aumentarne l'efficienza. Le pompe a eiettore di vapore sono particolarmente adatte per attività di laboratorio, in particolare in caso di pompaggio di vapori molto aggressivi. Le pompe a eiettore di vapore, che funzionano a una pressione di pochi millibar, sono particolarmente consigliate per lo svuotamento di apparecchiature di distillazione di laboratorio e attrezzature simili quando la pressione di una semplice pompa a getto d'acqua è insufficiente. In questo caso, l'uso di pompe rotative non sarebbe economico.
Limitazioni delle pompe a getto d'acqua
Nonostante i bassi costi d'investimento, le pompe a getto d'acqua e gli eiettori di vapore vengono sempre più spesso sostituiti nei laboratori da pompe a membrana a causa dei problemi ambientali legati all'utilizzo dell'acqua come fluido della pompa. Il solvente che entra nell'acqua può essere rimosso nuovamente solo con metodi di pulizia complessi (distillazione).
Fondamenti della tecnologia del vuoto
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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
