Nejlepší odpověď
Základy vakua
Pro hlubší pohled na vakuové systémy si přečtěte „Uvedení vakua do provozu“, „Squeeze energy energy from pneumatic systems,“ “ Manipulace s vakuovým designem, „a„ Navrhování s vakuovými a přísavkami. “
Evakuace vzduchu z uzavřeného objemu vyvíjí tlakový rozdíl mezi objemem a okolní atmosférou. Pokud je tento uzavřený objem vázán povrchem vakuové nádoby a obrobku, atmosférický tlak přitlačí oba objekty k sobě. Velikost přídržné síly závisí na ploše sdílené dvěma objekty a úrovni vakua. V průmyslovém vakuovém systému vakuové čerpadlo nebo generátor odstraňuje vzduch ze systému a vytváří tlakový rozdíl.
Protože je to prakticky nemožné k odstranění všech molekul vzduchu z nádoby nelze dosáhnout dokonalého vakua. Samozřejmě, jak je odstraňováno více vzduchu, zvyšuje se tlakový rozdíl a zvyšuje se potenciální vakuová síla.
Úroveň vakua je určena tlakovým rozdílem mezi evakuovaným objemem a okolní atmosférou. Lze použít několik měrných jednotek. Nejčastěji se jedná o výšku sloupce rtuti – obvykle palců rtuti (in-Hg) nebo milimetrů rtuti (mm-Hg). Běžnou metrickou jednotkou pro měření vakua je milibar nebo mbar. Mezi další tlakové jednotky, které se někdy používají k vyjádření vakua, patří vzájemně související jednotky atmosféry, torr a mikrony. Jedna standardní atmosféra se rovná 14,7 psi (29,92 in.-Hg). Jakákoli část atmosféry je částečné vakuum a odpovídá zápornému přetlaku. Torr je definován jako 1/760 atmosféry a lze jej také považovat za 1 mm-Hg, kde 760 mm-Hg se rovná 29,92 in.-Hg. Ještě menší je mikron, definovaný jako 0,001 torr. Tyto jednotky se však nejčastěji používají při práci s téměř dokonalými vysavači, obvykle v laboratorních podmínkách, a zřídka v aplikacích s fluidním pohonem.
Atmosférický tlak se měří barometrem. Barometr se skládá z evakuované svislé trubice, jejíž horní konec je uzavřen a jeho spodní konec spočívá v nádobě se rtutí otevřenou do atmosféry, obrázek 1. Tlak vyvíjený atmosférou působí na exponovaný povrch kapaliny a nutí rtuť nahoru do zkumavky. Atmosférický tlak na úrovni moře bude podporovat rtuťový sloupec obvykle ne více než 29,92 palce. vysoký. Standard pro atmosférický tlak na hladině moře je tedy 29,92 in.-Hg, což znamená absolutní tlak 14,69 psia.
Dva základní referenční body ve všech těchto měřeních jsou standardní atmosférický tlak a perfektní vakuum. Při atmosférickém tlaku je hodnota 0 in.-Hg ekvivalentní 14,7 psia. Na opačném referenčním bodě by 0 psia, – dokonalé vakuum (pokud by ho bylo možné dosáhnout) – mělo hodnotu rovnající se druhému extrému jeho rozsahu, 29,92 palce. – Hg. Výpočet pracovních sil nebo změn objemu ve vakuových systémech však vyžaduje přepočet na záporný přetlak (psig) nebo absolutní tlak (psia).
Atmosférickému tlaku je na číselnících většiny tlakoměrů přiřazena hodnota nula. . Měření vakua proto musí být menší než nula. Záporný tlakoměr je obecně definován jako rozdíl mezi daným vakuem systému a atmosférickým tlakem.
Měření vakua
Několik typů měřidel měří hladinu vakua. Bourdonův trubicový měřič je kompaktní a nejpoužívanější zařízení pro monitorování provozu a výkonu vakuového systému. Měření je založeno na deformaci zakřivené pružné Bourdonovy trubice, když je na port měřidla aplikováno vakuum. Při správném propojení indikují složené Bourdonovy trubicové indikátory vakuum i přetlak.
Elektronický protějšek vakuometr je převodník. Vakuum nebo tlak vychyluje elastickou kovovou membránu. Tato výchylka mění elektrické vlastnosti propojených obvodů a vytváří elektronický signál, který představuje hladinu vakua.
Obrázek 3. Ukazatel absolutního tlaku měří vakuum jako rozdíl v úrovni rtuti v obou jeho ramenech.
Manometr U-trubice, obrázek 2, ukazuje rozdíl mezi dvěma tlaky. Ve své nejjednodušší formě je manometr průhledná U-trubice napůl naplněná rtutí. S oběma konci trubky vystavenými atmosférickému tlaku je hladina rtuti v každé noze je stejná. Aplikování vakua na jednu nohu způsobí, že rtuť stoupne v této vrstvě ga spadnout do druhého. Rozdíl ve výšce mezi těmito dvěma úrovněmi označuje úroveň vakua. Manometry mohou měřit vakuum přímo na 29,25 in.-Hg.
Ukazatel absolutního tlaku ukazuje tlak nad teoretickým dokonalým vakuem.Má stejný tvar písmene U jako manometr, ale jedna noha tlakoměru absolutního tlaku je utěsněna, obrázek 3. Merkur vyplňuje tuto utěsněnou nohu, když je tlakoměr v klidu. Aplikování vakua na neuzavřenou nohu snižuje hladinu rtuti v utěsněné noze. Hladina vakua se měří posuvnou stupnicí umístěnou s nulovým bodem na úrovni rtuti v neuzavřeném rameni. Tento manometr tedy kompenzuje změny atmosférického tlaku.
Průmyslové vakuové systémy
Vakuum spadá do tří rozsahů:
- drsné (nebo hrubé), do 28 palců-Hg
- střední (nebo jemné), do jednoho mikronu,
- vysoké, větší než jeden mikron.
Téměř všechny průmyslové vakuové systémy jsou drsné. Ve skutečnosti většina aplikací pro zvedání a upínání pracuje při úrovních vakua pouze 12 až 18 palců-Hg. Je to proto, že je obecně ekonomičtější zvýšit zvedací nebo přídržnou sílu zvětšením kontaktní plochy mezi obrobkem a vakuovou miskou, než je vytáhnout vyšší vakuum a použít stejnou kontaktní plochu.
Střední vakuum se používá pro procesní aplikace, jako je molekulární destilace, lyofilizace, odplyňování a potahování. Vysoké vakuum se používá v laboratorních přístrojích, jako jsou elektronové mikroskopy, hmotnostní spektrometry a urychlovače částic.
Typický vakuový systém se skládá ze zdroje vakua, přívodních potrubí, armatur a různých regulačních ventilů, spínačů, filtrů a ochranná zařízení. Prevence úniků je u vakuových systémů obzvláště důležitá, protože i velmi malé netěsnosti mohou výrazně snížit výkon a účinnost. Pokud se používají plastové hadičky – jak se často stává – ujistěte se, že jsou určeny pro vakuovou službu. Jinak by se stěny potrubí mohly pod vakuem zhroutit a blokovat tok. Také vakuové vedení by mělo být tak krátké a úzké, jak je praktické, aby se omezilo množství vzduchu, které musí být evakuováno.
Důležitým konstrukčním hlediskem pro aplikace s upínáním je použití vakuového čerpadla pouze k dosažení úrovně vakua Požadované. Jakmile je obrobek v kontaktu s vakuovou nádobkou a je dosaženo požadovaného vakua, odpojení normálně uzavřeného ventilu od napětí bude udržovat vakuum po neomezenou dobu – za předpokladu, že nedojde k úniku. Držení vakua tímto způsobem nespotřebovává žádnou energii a vyhýbá se nutnosti nepřetržitého provozu vakuové pumpy.
Společnosti také nabízejí patentovaná zařízení, jako jsou vakuové kalíšky s integrovanými ventily a ventily, které ukončují tok z kalíšku, který vykazuje nadměrné únik. Tento ventil je navržen tak, aby zabránil vypínání falešných poplachů při držení porézních obrobků (například lepenky), ale aby zabránil úniku jedné vakuové nádoby snížením vakua u sousední nádoby.
Výběr vakuové pumpy
Prvním významným krokem při výběru správné vakuové pumpy je srovnání požadavků na vakuum aplikace s maximálními hodnotami vakua komerčních pump. Na nízkých úrovních je velký výběr čerpadel. Ale jak se zvyšuje úroveň vakua, výběr se zužuje, někdy až do bodu, kdy může být k dispozici pouze jeden typ čerpadla.
Chcete-li vypočítat potřeby vakua systému, zvažte všechna pracovní zařízení, která mají být poháněna. vakuum zařízení lze určit výpočty založenými na vzorcích příručky, teoretických datech, katalogových informacích, výkonových křivkách nebo testech provedených na prototypových systémech. Jakmile znáte požadované vakuum, můžete začít hledat čerpadla, která vyhoví požadavkům aplikace.
Maximální vakuum pro čerpadlo se běžně vyjadřuje pro nepřetržité nebo přerušované pracovní cykly a lze jej získat od výrobců čerpadel. Protože maximální teoretické vakuum na hladině moře je 29,92 in-Hg, skutečné možnosti čerpadla jsou založeny na této teoretické hodnotě a jsou s ní srovnávány. V závislosti na konstrukci čerpadla se mezní hodnota vakua pohybuje od 28 do 29,5 in.-Hg nebo přibližně 93\% nebo 98\% maximální teoretické hodnoty. U některých typů čerpadel bude maximální podtlakvycházet z této praktické horní hranice. Pro ostatní, kde je problém s rozptylem tepla, může maximální vakuum zohlednit také povolený nárůst teploty.
Mechanická vakuová čerpadla
Konvenční vakuové čerpadlo lze považovat za kompresor, který pracuje se svým sáním pod atmosférickým tlakem a výtlakem za atmosférického tlaku. Kompresory a vakuová čerpadla mají stejné čerpací mechanismy. Vakuové čerpadlo je jednoduše potrubím, které odvádí vzduch z uzavřené nádoby a odvádí do atmosféry, což je pravý opak toho, co dělá kompresor. Ačkoli mají stroje mnoho podobností, je třeba při konstrukci systému vzít v úvahu dva významné rozdíly mezi akcemi kompresního a vakuového čerpání. Maximální změna tlaku vytvářená vakuovou pumpou je omezená; nikdy nemůže být vyšší než atmosférický tlak. Se zvyšujícím se vakuem navíc objem vzduchu procházejícího čerpadlem neustále klesá.Samotné čerpadlo proto musí nakonec absorbovat prakticky veškeré generované teplo.
Mechanická vakuová čerpadla se obecně kategorizují buď jako objemové výtlaky, nebo jako netlakové výtlaky (dynamické). Objemová čerpadla čerpají relativně konstantní objem vzduchu navzdory jakékoli změně úrovně vakua a mohou táhnout relativně vysoké vakuum. Mezi hlavní typy objemových čerpadel patří: písty s vratným pohybem a kývavým pístem, rotační lopatky, membrány, lalokové rotory a konstrukce rotačních šroubů.
Čerpadla s nulovým objemem využívají kinetické energie k pohybu vzduchu uzavřený systém. Poskytují velmi vysoké průtoky, ale nemohou dosáhnout vysokého vakua. Hlavní čerpadla bez objemového čerpadla jsou vícestupňová odstředivá, axiální průtoková zařízení a regenerativní (nebo obvodová) dmychadla. Z nich je ekonomická volba pouze pro samostatné nebo specializované vakuové systémy.
Při výběru mechanického vakuového čerpadla je velmi důležité zohlednit teplotu, protože vysoké vnější nebo vnitřní teplo může výrazně ovlivnit výkon a servis čerpadla. život. Interní teplota čerpadla je důležitá, protože se zvyšující se úrovní vakua je přítomno méně vzduchu, který odvádí vznikající teplo, takže čerpadlo musí absorbovat více tepla. Těžká čerpadla s chladicími systémy jsou často vyžadována pro aplikace s vysokým vakuem. Lehká čerpadla však mohou po krátkou dobu pracovat při maximálním vakuu, pokud je mezi cykly dostatečná doba pro ochlazení. Čerpadlo zaznamenává celkový nárůst teploty v důsledku toho, že na něj působí všechny zdroje tepla – interně generované teplo plus teplo z vnitřního úniku, stlačení, tření a vnější teploty okolí.
Venturiho vývěvy
Mnoho strojů, které vyžadují vakuum, také používá stlačený vzduch. A pokud je vakuum požadováno jen přerušovaně, lze pomocí stlačeného vzduchu, který je již k dispozici, použít k vytvoření vakua prostřednictvím zařízení zvaného vakuový generátor, známého také jako vakuový ejektor nebo vakuové čerpadlo. Stlačený vzduch lze dále použít v kombinaci s vakuovou nádobkou tak, že se nafoukne vzduch, aby se urychlilo uvolňování obrobku.
Vakuové generátory pracují na principu Venturiho trubice, obrázek 4. Filtrované, nemazané stlačený vzduch vstupuje vstupem A . Otvor difuzoru (tryska), B , způsobí zvýšení proudu vzduchu, čímž sníží jeho tlak, což vytvoří vakuum v kanálu C . Proud vzduchu odchází do atmosféry prostřednictvím tlumiče výfuku D .
Vakuové generátory nabízejí několik výhod. Jsou kompaktní a lehké, takže je lze často namontovat v místě použití nebo v jeho blízkosti. Jsou levné a protože nemají žádné pohyblivé části, nevyžadují údržbu spojenou s mechanickými vývěvami. Nepotřebují zdroj elektrické energie, protože generují vakuum napojením na stávající systém stlačeného vzduchu. Pokud je však dovybaveno strojem, může být nutné zvýšit kapacitu stávajícího pneumatického systému. Výroba tepla, která je často limitujícím faktorem u mechanických vývěv, je u vakuových generátorů málo znepokojující.
Mechanická čerpadla jsou nejčastěji specifikována tak, aby poskytovala stroji vakuum nepřetržitě. Ale mnoho z těchto strojů ve skutečnosti používá vakuum jen přerušovaně na mnoha různých místech. V případech, jako je tento, mohou vakuové generátory poskytnout praktickou alternativu dodáváním vakua přerušovaně u každého zdroje, nikoli nepřetržitě pro celý stroj.
Vakuové generátory se ovládají jednoduše zahájením nebo ukončením proudění stlačeného vzduchu do trysky. Vakuové generátory se používají po celá desetiletí, ale relativně nedávná vylepšení vedla k konstrukcím trysek, které poskytují vyšší provozní účinnost.
Dalším vývojem využívajícím venturi je vícestupňový vakuový generátor. V této konfiguraci jsou dva nebo více vakuových generátorů zapojeny do série, aby produkovaly větší vakuový tok bez použití více stlačeného vzduchu. V podstatě slouží výfuk z první trysky (který určuje maximální dosažitelnou úroveň vakua) jako vstup pro druhý stupeň. Výfuk z druhého stupně pak slouží jako vstup pro třetí stupeň. To znamená, že vícestupňový generátor evakuuje daný objem rychleji než jednostupňový generátor, ale oba nakonec vytáhnou stejnou úroveň vakua.
Výběr vakuového generátoru závisí na požadované zdvihací síle a objem vzduchu, který musí být evakuován.Zvedací síla závisí na úrovni vakua, kterou může generátor táhnout – což zase závisí na dodávaném tlaku vzduchu – a na účinné ploše vakuové nádoby. Ve většině aplikací je důležité, aby byl generátor schopen vytáhnout požadované vakuum v co nejkratší době, aby se minimalizovala spotřeba vzduchu.
Odpověď
Trochu záleží na tom, „co“ by absolutní vakuum a „kde“ byste chtěli být.
Pokud chcete objem bez jakékoli hmoty (atomy nebo molekuly), je možné ho vytvořit zde na Zemi.
ALE.
Pouze v extrémně malém objemu a na velmi krátkou dobu.
Obecně částice hustota klesá, jak snižujete tlak. Za normálních podmínek dostanete něco jako 10 ^ 20 částic (molekul nebo atomů) na kubický cm. Když spadnete do ultravysokého vakua (tlak 10 ^ -10 mbar) v komoře, jako je ta na obrázku níže, pak získáte milion částic na kubický cm. Stále dost, ale se „standardním“ vědeckým vybavením se nedostanete níže.
(Multiprobe Surface Science System at NBMC )
Chcete-li se dostat níže, musíte navštívit CERN, kde najdete „kontejner proti hmotě“ s 10 ^ – Tlak 17 mbar uvnitř.
(Iontová past v CERNu)
To je jako stovka částic v kubický cm. Zvažte velikost atomu kolem 10 ^ -12 m a získáte něco jako krátkodobý objem několika kubických milimetrů s absolutním vakuem mezi atomy (v průměru). Nyní mluvíme! Toto je objem, na který normální člověk (nefyzik) snadno pomyslí.
Pokud to pro vás nestačí, musíte použít přirozené vakuum. A to samozřejmě nelze na Zemi pozorovat, protože kolem nás létá spousta věcí.
Takže se musíte pohybovat mimo naši planetu. Pro tlaky 10 ^ -17 mbar (jako CERN) byste museli navštívit meziplanetární prostor, ale my chceme VÍCE! Myslím tím méně …
Dalším krokem by bylo opuštění sluneční soustavy a přesun do mezihvězdného prostoru. V naší galaxii je odhadovaná mezihvězdná hustota částic kolem padesáti tisíc na metr krychlový. WHOA! Mohli byste dát prst do absolutního vakua! Jen na chvíli, protože molekuly odpařující se z vašeho skafandru by ho rychle kontaminovaly. A pokud prst nestačí, pojďme se přesunout do mezigalaktického prostoru s jednou částicemi na metr krychlový . Celá vaše hlava teď zapadá do absolutního vakua!
(Myslím, že by to bylo místo, kde by někteří lidé mohli najít v životě rovnováhu. Absolutně nic vně a uvnitř jejich hlav!)
Gratulujeme, pokud se vám podařilo přečíst všechny výše uvedené a jít tak daleko.
ALE.
V tomto okamžiku Musím tě zklamat! I kdyby se vám podařilo bloudit do mezigalaktického prostoru a hledat skutečně prázdné místo, kam byste mohli umístit hlavu, uvědomili byste si jen to, že je plné … ENERGIE! Kosmické mikrovlnné pozadí je tam. Relikviové záření z doby velkého třesku na vás čeká v každém koutě vesmíru …
Ano – pokud byste se někdy dokázali zbavit veškeré hmoty, zbude ještě spousta energie.
A i kdybyste mohli nějakým způsobem sledovat celé záření, kvantová teorie by vás nenechala být sama … protože i absolutně absolutní kvantové vakuum je plné energetických výkyvů a virtuálních částic. Závěr tedy zní:
NA VESMÍRU NEMŮŽE BÝT NIKDY ABSOLUTNÍ VAKUUM.
Oops! Promiňte. Zapomněl jsem ti říct, že to víme docela dlouho? Protože Aristoteles řekl, že příroda oškliví vakuum před více než dvěma tisíci lety?