Come scegliere le dimensioni di una pompa - evacuazione di un sistema per vuoto
Fondamentalmente, ci sono due domande indipendenti che riguardano le dimensioni di un sistema per vuoto:
- Quale velocità di pompaggio effettiva deve mantenere la configurazione della pompa per ridurre al valore desiderato la pressione in un dato serbatoio in un determinato periodo di tempo?
- Quale velocità di pompaggio effettiva deve raggiungere la configurazione della pompa durante un processo sottovuoto in modo che i gas e i vapori rilasciati nel serbatoio possano essere rapidamente pompati via mentre una determinata pressione (la pressione di esercizio) nel serbatoio viene mantenuta e non superata?
Durante la procedura di pompaggio di alcuni processi (ad esempio, essiccazione e riscaldamento), vengono prodotti vapori non originariamente presenti nella camera a vuoto, per cui sorge una terza domanda:
- Quale velocità di pompaggio effettiva deve raggiungere la configurazione della pompa affinché il processo possa completarsi entro un determinato periodo di tempo?
La velocità di pompaggio effettiva di una configurazione è intesa come la velocità di pompaggio effettiva dell'intera configurazione della pompa che prevale nel serbatoio. La velocità di pompaggio nominale della pompa può quindi essere determinata in base alla velocità di pompaggio effettiva se la resistenza al flusso (conduttanza) dei deflettori, delle trappole fredde, dei filtri, delle valvole e delle tubazioni installate tra la pompa e il serbatoio è nota (vedere la pagina sulla conduttanza). Per determinare la velocità di pompaggio nominale richiesta si presume inoltre che il sistema per vuoto sia a tenuta; pertanto, il tasso di perdita deve essere così piccolo che i gas che penetrano dall'esterno vengano immediatamente rimossi dalla configurazione della pompa collegata e la pressione nel serbatoio non subisca alterazioni (per ulteriori dettagli, vedere Rilevamento delle perdite). Le domande di cui ai punti 1, 2 e 3 sono caratteristiche dei tre esercizi più essenziali della tecnologia del vuoto.
- Evacuazione del serbatoio per raggiungere una pressione specificata.
- Pompaggio di quantità di gas e vapore in continua evoluzione a una determinata pressione.
- Pompaggio dei gas e dei vapori prodotti durante un processo per variazione di temperatura e pressione.
L'evacuazione iniziale di una camera a vuoto è influenzata nelle regioni a vuoto medio, alto ultra alto dalla continua evoluzione di quantità di gas, poiché in queste regioni la fuoriuscita di gas e vapori dalle pareti del serbatoio è così significativa da determinare da sola le dimensioni e la configurazione del sistema per vuoto.
Evacuazione di una camera a vuoto (senza ulteriori fonti di gas o vapore)
A causa dei fattori sopra descritti, la valutazione del tempo di svuotamento deve essere sostanzialmente diversa per l'evacuazione di un contenitore nella regione del vuoto basso da quella nelle regioni del vuoto medio e alto.
Evacuazione di una camera nella regione del vuoto basso
In questo caso, la velocità di pompaggio effettiva richiesta Seff di un gruppo pompa per vuoto dipende solo dalla pressione richiesta p, dal volume V del serbatoio e dal tempo di svuotamento t.
Con una velocità di pompaggio Seff costante e supponendo che la pressione finale pend ottenibile con la configurazione di pompaggio sia tale che pend << p, la diminuzione con il tempo della pressione p(t) in una camera è data dall'equazione:
(2.32)
A partire da 1.013 mbar nel tempo t = 0, la velocità di pompaggio effettiva viene calcolata in base al tempo di svuotamento t dall'equazione (2.32) come segue:
(2.33a)
(2.33b)
(2.34)
Introduzione del fattore adimensionale
(2.34a)
Nell'equazione (2.34), la relazione tra la velocità di pompaggio effettiva Seff e il tempo di svuotamento t è data da
(2.35)
Il rapporto V/Seff è generalmente definito come una costante di tempo τ. Pertanto, il tempo di svuotamento di una camera a vuoto dalla pressione atmosferica a una pressione p è dato da:
(2.36)
La dipendenza del fattore dalla pressione desiderata è illustrata nella Fig. 2.75. Si noti che la velocità di pompaggio delle pompe rotative a palette monostadio e rotative a pistoni scende al di sotto di 10 mbar con zavorra a gas e al di sotto di 1 mbar senza zavorra a gas. Questo comportamento fondamentale è diverso per pompe di varie dimensioni e tipologie, ma non deve essere ignorato nella determinazione della dipendenza del tempo di svuotamento dalle dimensioni della pompa. Occorre sottolineare che le equazioni (da 2.32 a 2.36) e la Fig. 2.75 si applicano solo quando la pressione finale raggiunta con la pompa utilizzata è inferiore di diversi ordini di grandezza alla pressione desiderata.
Fig 2.75 Dipendenza del fattore adimensionale s per il calcolo del tempo di svuotamento t secondo l'equazione 2.36. La linea tratteggiata si applica alle pompe monostadio in cui la velocità di pompaggio scende al di sotto di 10 mbar.
Esempio: una camera a vuoto con un volume di 500 l deve essere svuotata fino a 1 mbar entro 10 minuti. Qual è la velocità di pompaggio effettiva richiesta?
500 l = 0,5 m3; 10 min = 1/6 di ora
In base all'equazione (2.34) ne consegue:
Per l'esempio sopra riportato, si rileva il valore di 7 dalla linea retta nella Fig. 2.75. Tuttavia, dalla linea tratteggiata si ricava un valore di 8. Dall'equazione (2.35) si ottiene quanto segue:
tenendo conto del fatto che la velocità di pompaggio si riduce al di sotto di 10 mbar. La velocità di pompaggio effettiva richiesta è quindi pari a circa 24 m3/h.
Evacuazione di una camera nella regione del vuoto alto
È molto più difficile fornire formule generali per l'uso nella regione del vuoto alto. Poiché il tempo di pompaggio per raggiungere una determinata pressione di vuoto alto dipende essenzialmente dall'evoluzione del gas dalle superfici interne della camera, le condizioni e il pre-trattamento di queste superfici sono di grande importanza nella tecnologia del vuoto. In nessun caso il materiale utilizzato deve presentare regioni porose o, in particolare per quanto riguarda il riscaldamento, contenere cavità; le superfici interne devono essere quanto più lisce possibile (superficie reale = superficie geometrica) e pulite (e sgrassate) a fondo. L'evoluzione del gas varia notevolmente in base alla scelta del materiale e alle condizioni della superficie. I dati utili sono riepilogati nella Tabella X.
Tabella X Tasso di degasaggio dei materiali in mbar · l · s-1 · cm-2
L'evoluzione del gas può essere determinata sperimentalmente solo caso per caso con il metodo dell'aumento della pressione: il sistema viene evacuato il più possibile e, infine, la pompa e la camera vengono isolate da una valvola. A questo punto, viene misurato il tempo necessario all'aumento della pressione all'interno della camera (volume V) di una determinata quantità, ad esempio una potenza di 10. La quantità di gas Q che si origina per unità di tempo è data da:
(2.37)
(Δp = aumento di pressione misurato)
La quantità di gas Q è costituita dalla somma di tutto il gas evoluto e di tutte le eventuali perdite. L'eventuale evoluzione o perdita di gas possono essere determinate con il seguente metodo:
La quantità di gas derivante dall'evoluzione deve ridursi con il tempo; la quantità di gas che entra nel sistema a causa della perdita rimane costante con il tempo. A livello sperimentale, questa distinzione non è sempre facile, poiché spesso è necessario un lungo periodo di tempo, con l'evoluzione di gas puro, prima che la curva pressione-tempo misurata si avvicini a un valore finale costante (o quasi costante); pertanto, l'inizio di questa curva segue una linea retta per lunghi periodi e simula una perdita (vedere Rilevamento delle perdite).
Se si conoscono l'evoluzione del gas Q e la pressione richiesta pend, è facile determinare la velocità di pompaggio effettiva necessaria:
(2.38)
Esempio: una camera a vuoto da 500 l può avere un'area superficiale totale (inclusi tutti i sistemi) di circa 5 m2. Per m2 di superficie si presume un'evoluzione stabile dei gas pari a 2 · 10-4 mbar · l/s. Si tratta del livello previsto quando valvole o condotti rotanti, ad esempio, sono collegati alla camera a vuoto. Per mantenere nel sistema una pressione di 1 · 10-5 mbar, la pompa deve avere una velocità di pompaggio di
Per rimuovere continuamente la quantità di gas che entra attraverso le perdite o che si evolve dalle pareti della camera, è necessaria una velocità di pompaggio di 100 l/s. In questo caso il processo di evacuazione è simile agli esempi forniti nella sezione relativa al vuoto basso di cui sopra. Tuttavia, nel caso di una pompa a diffusione, il processo di pompaggio non inizia alla pressione atmosferica ma alla pressione di vuoto iniziale pV. Quindi l'equazione (2.34) si trasforma in:
A una contropressione di pV = 2 · 10-3 mbar il K di "compressione" nel nostro esempio è:
Per ottenere una pressione finale di 1 · 10-5 mbar entro 5 minuti dall'inizio con una pompa a diffusione, è richiesta una velocità di pompaggio effettiva di
Questa è molto inferiore alla velocità di pompaggio effettiva necessaria per mantenere la pressione finale. Il tempo di pompaggio e il vuoto finale negli intervalli del vuoto alto e ultra alto dipendono principalmente dal tasso di evoluzione del gas e dai tassi di perdita.
Evacuazione di una camera nella regione del vuoto medio
Nella regione del vuoto basso, il volume del serbatoio è decisivo per il tempo richiesto dal processo di pompaggio. Nelle regioni con vuoto alto e ultra alto, tuttavia, l'evoluzione del gas dalle pareti svolge un ruolo significativo. Nella regione del vuoto medio, il processo di pompaggio è influenzato da entrambe le quantità. Inoltre, nella regione del vuoto medio, in particolare con le pompe rotative, la pressione finale pend ottenibile non è più trascurabile. Se la quantità di gas che entra nella camera è nota essere pari a Q (in millibar litro al secondo) a partire dall'evoluzione del gas dalle pareti e dalla perdita, l'equazione differenziale (2.32) per il processo di pompaggio diventa
(2.39)
L'integrazione di questa equazione porta a
(2.40)
dove:
p0 è la pressione all'inizio del processo di pompaggio
p è la pressione desiderata
A differenza dell'equazione 2.33b, questa equazione non consente una soluzione definita per Seff, pertanto, la velocità di pompaggio effettiva per un'evoluzione del gas nota non può essere determinata dalla curva tempo - pressione senza ulteriori informazioni.
Nella pratica, pertanto, il metodo seguente consentirà di definire una pompa con una velocità di pompaggio sufficientemente elevata:
a) La velocità di pompaggio viene calcolata dall'equazione 2.34 come risultato del volume della camera senza evoluzione di gas e del tempo di pompaggio desiderato.
b) Si ricava il rapporto tra la velocità di evoluzione del gas e questa velocità di pompaggio. Questo rapporto deve essere inferiore alla pressione richiesta; per sicurezza, deve essere circa dieci volte inferiore. Se questa condizione non viene soddisfatta, è necessario scegliere una pompa con una velocità di pompaggio corrispondente superiore.
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
