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Fundamentos del vacío
Para una mirada más profunda a los sistemas de vacío, lea «Poniendo el vacío a trabajar», «Exprima los ahorros de energía de los sistemas neumáticos» » Manejo del diseño de vacío «y» Diseño con vacío y ventosas «.
La evacuación de aire de un volumen cerrado desarrolla una diferencia de presión entre el volumen y la atmósfera circundante. Si este volumen cerrado está limitado por la superficie de una ventosa y una pieza de trabajo, la presión atmosférica presionará los dos objetos juntos. La cantidad de fuerza de sujeción depende del área de superficie compartida por los dos objetos y del nivel de vacío. En un sistema de vacío industrial, una bomba de vacío o generador elimina el aire de un sistema para crear un diferencial de presión.
Porque es prácticamente imposible para eliminar todas las moléculas de aire de un recipiente, no se puede lograr un vacío perfecto. Por supuesto, a medida que se elimina más aire, aumenta la diferencia de presión y la fuerza de vacío potencial se vuelve mayor.
El nivel de vacío está determinado por la diferencia de presión entre el volumen evacuado y la atmósfera circundante. Se pueden utilizar varias unidades de medida. La mayoría se refiere a la altura de una columna de mercurio, generalmente pulgadas de mercurio (in.-Hg) o milímetros de mercurio (mm-Hg). La unidad métrica común para la medición de vacío es el milibar o mbar. Otras unidades de presión que a veces se usan para expresar vacío incluyen las unidades interrelacionadas de atmósferas, torr y micrones. Una atmósfera estándar equivale a 14,7 psi (29,92 pulg.-Hg). Cualquier fracción de atmósfera es un vacío parcial y equivale a una presión manométrica negativa. Un torr se define como 1/760 de una atmósfera y también se puede considerar como 1 mm-Hg, donde 760 mm-Hg equivale a 29,92 pulg.-Hg. Incluso más pequeño es el micrón, definido como 0,001 torr. Sin embargo, estas unidades se usan con mayor frecuencia cuando se trata de vacíos casi perfectos, generalmente en condiciones de laboratorio, y rara vez en aplicaciones de energía fluida.
La presión atmosférica se mide con un barómetro. Un barómetro consiste en un tubo vertical evacuado con su extremo superior cerrado y su extremo inferior descansando en un recipiente de mercurio que está abierto a la atmósfera, Figura 1. La presión ejercida por la atmósfera actúa sobre la superficie expuesta del líquido para forzar el mercurio en el tubo. La presión atmosférica al nivel del mar soportará una columna de mercurio generalmente no más de 29,92 pulgadas. alto. Por lo tanto, el estándar para la presión atmosférica al nivel del mar es 29,92 pulg.-Hg, lo que se traduce en una presión absoluta de 14,69 psia.
Los dos puntos de referencia básicos en todas estas mediciones son la presión atmosférica estándar y un perfecto vacío. A presión atmosférica, el valor de 0 pulg.-Hg equivale a 14,7 psia. En el punto de referencia opuesto, 0 psia, – un vacío perfecto (si pudiera lograrse) – tendría un valor igual al otro extremo de su rango, 29,92 in.-Hg. Sin embargo, calcular las fuerzas de trabajo o los cambios de volumen en los sistemas de vacío requiere conversiones a presión manométrica negativa (psig) o presión absoluta (psia).
A la presión atmosférica se le asigna el valor cero en los diales de la mayoría de los manómetros. . Por tanto, las medidas de vacío deben ser inferiores a cero. La presión manométrica negativa generalmente se define como la diferencia entre el vacío de un sistema dado y la presión atmosférica.
Medición de vacío
Varios tipos de medidores miden el nivel de vacío. Un manómetro tipo tubo Bourdon es compacto y el dispositivo más utilizado para monitorear el funcionamiento y el rendimiento del sistema de vacío. La medición se basa en la deformación de un tubo Bourdon elástico curvo cuando se aplica vacío al puerto del manómetro. Con la conexión adecuada, los manómetros compuestos del tubo Bourdon indican tanto el vacío como la presión positiva.
Una contraparte electrónica de el vacuómetro es el transductor. El vacío o la presión desvía un diafragma de metal elástico. Esta desviación varía las características eléctricas de los circuitos interconectados para producir una señal electrónica que representa el nivel de vacío.
Un manómetro de tubo en U, Figura 2, indica la diferencia entre dos presiones. En su forma más simple, un manómetro es un tubo en U transparente medio lleno de mercurio. Con ambos extremos del tubo expuestos a la presión atmosférica, el El nivel de mercurio en cada pierna es el mismo. La aplicación de vacío en una pierna hace que el mercurio suba en esa pierna. gy caer en el otro. La diferencia de altura entre los dos niveles indica el nivel de vacío. Los manómetros pueden medir el vacío directamente a 29.25 pulg.-Hg.
Un manómetro absoluto muestra la presión por encima de un vacío perfecto teórico.Tiene la misma forma de U que el manómetro, pero una pata del manómetro absoluto está sellada, Figura 3. Mercurio llena esta pata sellada cuando el manómetro está en reposo. Aplicar vacío a la pierna sin sellar reduce el nivel de mercurio en la pierna sellada. El nivel de vacío se mide con una escala móvil colocada con su punto cero en el nivel de mercurio en la pierna sin sellar. Por lo tanto, este medidor compensa los cambios en la presión atmosférica.
Sistemas de vacío industriales
Las aspiradoras se dividen en tres rangos:
- áspero (o grueso), hasta 28 pulgadas-Hg
- medio (o fino), hasta una micra,
- alto, más de una micra.
Casi todos los sistemas de vacío industriales son rugosos. De hecho, la mayoría de las aplicaciones de elevación y sujeción operan a niveles de vacío de solo 12 a 18 pulgadas-Hg. Esto se debe a que, en general, es más económico aumentar la fuerza de elevación o sujeción aumentando el área de contacto entre la pieza de trabajo y la ventosa que realizar un vacío más alto y utilizar la misma área de contacto.
Vacío medio se utiliza para aplicaciones de procesos tales como destilación molecular, liofilización, desgasificación y operaciones de recubrimiento. Los altos vacíos se utilizan en instrumentos de laboratorio, como microscopios electrónicos, espectrómetros de masas y aceleradores de partículas.
Un sistema de vacío típico consiste en una fuente de vacío, líneas de suministro, accesorios y varias válvulas de control, interruptores, filtros y dispositivos de protección. La prevención de fugas es especialmente importante con los sistemas de vacío porque incluso las fugas muy pequeñas pueden disminuir en gran medida el rendimiento y la eficiencia. Si se utiliza tubería de plástico, como suele ser el caso, asegúrese de que esté diseñada para servicio de vacío. De lo contrario, las paredes del tubo podrían colapsar bajo el vacío y bloquear el flujo. Además, las líneas de vacío deben ser tan cortas y estrechas como sea práctico para limitar el volumen de aire que debe ser evacuado.
Una consideración de diseño importante para las aplicaciones de sujeción de piezas es usar la bomba de vacío solo para lograr el nivel de vacío necesario. Una vez que la pieza de trabajo está en contacto con la ventosa y se logra el vacío requerido, la desactivación de una válvula normalmente cerrada mantendrá el vacío indefinidamente, siempre que no se produzcan fugas. Mantener el vacío de esta manera no consume energía y evita tener que operar la bomba de vacío continuamente.
Las empresas también ofrecen dispositivos patentados, como ventosas con válvulas integrales y válvulas que terminan el flujo de una taza que exhibe excesiva fuga. Esta válvula está diseñada para evitar el cierre de falsas alarmas al sostener piezas de trabajo porosas (como cartón), pero evita que una fuga en una ventosa reduzca el vacío en una ventosa adyacente.
Selección de la bomba de vacío
El primer paso importante en la selección de la bomba de vacío adecuada es comparar los requisitos de vacío de la aplicación con los valores de vacío máximos de las bombas comerciales. A niveles bajos, hay una amplia variedad de bombas. Pero a medida que aumenta el nivel de vacío, la elección se reduce, a veces hasta el punto en que solo puede estar disponible un tipo de bomba.
Para calcular las necesidades de vacío de un sistema, considere que todos los dispositivos de trabajo deben funcionar. El vacío de los dispositivos se puede determinar mediante cálculos basados en fórmulas manuales, datos teóricos, información de catálogo, curvas de rendimiento o pruebas realizadas con sistemas prototipo. Una vez que sepa el vacío requerido, puede comenzar a buscar bombas que se adapten a los requisitos de la aplicación.
La clasificación de vacío máxima para una bomba se expresa comúnmente para ciclos de trabajo continuos o intermitentes, y se puede obtener de los fabricantes de bombas. Debido a que el vacío teórico máximo al nivel del mar es de 29,92 pulgadas-Hg, las capacidades reales de la bomba se basan y se comparan con este valor teórico. Dependiendo del diseño de la bomba, el límite de vacío varía de 28 a 29,5 pulg.-Hg o alrededor del 93\% o 98\% del valor teórico máximo. Para algunos tipos de bombas, la clasificación de vacío máxima serábasarse en este límite superior práctico. Para otros, donde la disipación de calor es un problema, la clasificación de vacío máxima también puede tener en cuenta el aumento de temperatura permitido.
Bombas de vacío mecánicas
Se puede pensar en una bomba de vacío convencional como un compresor que opera con su admisión por debajo de la presión atmosférica y la descarga a presión atmosférica. Los compresores y las bombas de vacío tienen mecanismos de bombeo idénticos. La bomba de vacío simplemente tiene una tubería para extraer aire de un recipiente cerrado y expulsarlo a la atmósfera, que es exactamente lo contrario de lo que hace un compresor. Aunque las máquinas tienen muchas similitudes, en el diseño del sistema se deben considerar dos diferencias significativas entre las acciones de compresión y bombeo de vacío. El cambio máximo de presión producido por una bomba de vacío es limitado; nunca puede ser superior a la presión atmosférica. Además, a medida que aumenta el vacío, el volumen de aire que pasa a través de la bomba cae continuamente.Por lo tanto, la propia bomba finalmente debe absorber prácticamente todo el calor generado.
Las bombas de vacío mecánicas generalmente se clasifican como de desplazamiento positivo o de desplazamiento no positivo (dinámicas). Las bombas de desplazamiento positivo extraen un volumen de aire relativamente constante a pesar de cualquier variación en el nivel de vacío y pueden generar un vacío relativamente alto. Los principales tipos de bombas de desplazamiento positivo incluyen: diseños de pistón oscilante y alternativo, paletas rotativas, diafragma, rotor lobulado y tornillo rotativo.
Las bombas de desplazamiento no positivo utilizan cambios de energía cinética para sacar el aire de un sistema cerrado. Proporcionan caudales muy altos, pero no pueden lograr un vacío elevado. Las principales bombas de desplazamiento no positivo son centrífugas de múltiples etapas, unidades de flujo axial y sopladores regenerativos (o periféricos). De estos, solo el soplador es una opción económica para sistemas de vacío independientes o dedicados.
Las consideraciones de temperatura son muy importantes al seleccionar una bomba de vacío mecánica porque el alto calor externo o interno puede afectar en gran medida el rendimiento y el servicio de la bomba. vida. La temperatura interna de la bomba es importante porque a medida que aumenta el nivel de vacío, hay menos aire presente para llevar el calor generado, por lo que la bomba debe absorber más calor. A menudo se requieren bombas de servicio pesado con sistemas de enfriamiento para aplicaciones de alto vacío. Pero las bombas de servicio liviano pueden operar al vacío máximo durante períodos cortos de tiempo si hay un período de enfriamiento adecuado entre ciclos. La bomba experimenta un aumento total de temperatura como resultado de todas las fuentes de calor que actúan sobre ella: calor generado internamente más calor por fugas internas, compresión, fricción y temperatura ambiente externa.
Bombas de vacío tipo Venturi
Muchas máquinas que requieren vacío también utilizan aire comprimido. Y si se requiere vacío solo de manera intermitente, el aire comprimido que ya está disponible se puede utilizar para generar vacío a través de un dispositivo llamado generador de vacío, también conocido como eyector de vacío o bomba de vacío. Además, el aire comprimido también se puede utilizar en combinación con una ventosa produciendo una bocanada de aire para acelerar la liberación de la pieza de trabajo.
Los generadores de vacío operan según el principio venturi, Figura 4. Filtrado, no lubricado el aire comprimido entra por la entrada A . Un orificio difusor (boquilla), B , hace que la corriente de aire aumente de velocidad, lo que reduce su presión, lo que crea un vacío en el canal C . La corriente de aire sale a la atmósfera a través del silenciador D .
Los generadores de vacío ofrecen varias ventajas. Son compactos y livianos, por lo que a menudo se pueden montar en el punto de uso o cerca del mismo. Son económicos y, debido a que no tienen partes móviles, no requieren el mantenimiento asociado con las bombas de vacío mecánicas. No necesitan una fuente de energía eléctrica porque generan vacío al conectarse a un sistema de aire comprimido existente. Sin embargo, si se instala en una máquina, es posible que deba aumentarse la capacidad del sistema neumático existente. La generación de calor, que a menudo es el factor limitante con las bombas de vacío mecánicas, es de poca importancia con los generadores de vacío.
Las bombas mecánicas se especifican con mayor frecuencia para proporcionar vacío a una máquina de forma continua. Pero muchas de estas máquinas en realidad usan vacío solo de manera intermitente en muchos lugares diferentes. En casos como este, los generadores de vacío pueden proporcionar una alternativa práctica al suministrar vacío de forma intermitente en cada fuente en lugar de de forma continua para toda la máquina.
Los generadores de vacío se controlan simplemente iniciando o terminando el flujo de aire comprimido a la boquilla. Los generadores de vacío se han utilizado durante décadas, pero las mejoras relativamente recientes han llevado a diseños de boquillas que brindan una mayor eficiencia operativa.
Otro desarrollo que utiliza venturis son los generadores de vacío de etapas múltiples. En esta configuración, dos o más generadores de vacío están conectados en serie para producir un mayor flujo de vacío sin usar más aire comprimido. Esencialmente, el escape de la primera boquilla (que determina el nivel de vacío máximo alcanzable) sirve como entrada para una segunda etapa. El escape de la segunda etapa sirve como entrada para una tercera etapa. Esto significa que un generador de múltiples etapas evacua un volumen determinado más rápido que un generador de una sola etapa, pero ambos eventualmente extraerán el mismo nivel de vacío.
La selección de un generador de vacío depende de la fuerza de elevación requerida y el volumen de aire que debe evacuarse.La fuerza de elevación depende del nivel de vacío que puede tirar el generador, que, a su vez, depende de la presión de aire suministrada, y del área efectiva de la ventosa. En la mayoría de las aplicaciones, es importante que un generador pueda extraer el vacío requerido en el menor tiempo posible para minimizar el consumo de aire
Respuesta
Depende un poco de «qué» el vacío absoluto y «dónde» te gustaría que estuviera.
Si quieres un volumen sin materia (átomos o moléculas), entonces es posible crearlo aquí en la Tierra.
PERO.
Solo en un volumen extremadamente pequeño y por muy poco tiempo.
Generalmente, las partículas La densidad disminuye a medida que baja la presión. En condiciones normales, obtienes algo así como 10 ^ 20 partículas (moléculas o átomos) por cm cúbico. Cuando bajas al vacío ultra alto (presión de 10 ^ -10 mbar) en una cámara como la de la imagen de abajo, obtienes como un millón de partículas por cm cúbico. Todavía es mucho, pero no se puede bajar con el equipo científico «estándar».
(Sistema de ciencia de superficie de sonda múltiple en NBMC )
Para bajar tienes que visitar el CERN, donde puedes encontrar el “contenedor de antimateria” con 10 ^ – 17 mbar de presión en el interior.
(Trampa de iones en el CERN)
Eso es como cien partículas en un cm cúbicos Considere que el tamaño de un átomo es de alrededor de 10 ^ -12 my obtendrá algo así como varios volúmenes de milímetros cúbicos de corta duración con vacío absoluto entre los átomos (en promedio). ¡Ahora estamos hablando! Este es el volumen en el que un humano normal (no físico) puede pensar fácilmente.
Si esto no es suficiente para usted, entonces debe optar por el vacío natural. Y esto, obviamente, no se puede observar en la Tierra, ya que tenemos muchas cosas volando a nuestro alrededor.
Así que tienes que moverte fuera de nuestro planeta. Para presiones de 10 ^ -17 mbar (como el CERN), tendría que visitar el espacio interplanetario, ¡pero queremos MÁS! Quiero decir, menos…
El siguiente paso sería dejar el Sistema Solar y entrar en el espacio interestelar. En nuestra galaxia, la densidad estimada de partículas interestelares es de alrededor de cincuenta mil por metro cúbico. ¡Whoa! ¡Podrías poner tu dedo en un vacío absoluto! Solo por un tiempo, ya que las moléculas que se evaporan de su traje espacial lo contaminarían rápidamente. Y si el dedo no es suficiente, vayamos al espacio intergaláctico con una partícula por metro cúbico . ¡Ahora toda tu cabeza cabe en el vacío absoluto!
(Creo que ese sería el lugar donde algunas personas podrían encontrar algo de equilibrio en la vida. ¡Absolutamente nada fuera y dentro de sus cabezas!)
Felicitaciones si lograste leer todo lo anterior y llegar tan lejos.
PERO.
En este punto ¡Debo decepcionarte! Incluso si lograras vagar por el espacio intergaláctico en busca de un lugar verdaderamente vacío para poner tu cabeza, solo te darías cuenta de que está lleno de… ¡ENERGÍA! El fondo cósmico de microondas está ahí. La radiación reliquia de la época del Big Bang te espera en cada rincón del Universo …
Sí, si alguna vez pudieras deshacerte de toda la materia, todavía quedaría mucha energía.
E incluso si de alguna manera pudieras filtrar toda la radiación, la teoría cuántica no te dejaría estar solo … ya que incluso el vacío cuántico totalmente absoluto en última instancia está lleno de fluctuaciones de energía y partículas virtuales. Entonces la conclusión es:
NO PUEDE HABER VACÍO ABSOLUTO EN NINGÚN LUGAR DEL UNIVERSO.
¡OOPS! Lo siento. ¿Olvidé decirte que lo sabemos desde hace bastante tiempo? ¿Desde que Aristóteles dijo que la naturaleza aborrece el vacío hace más de dos milenios?