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Nozioni fondamentali sul vuoto
Per uno sguardo più approfondito ai sistemi per il vuoto, leggi “Mettere il vuoto al lavoro”, “Spremere il risparmio energetico dai sistemi pneumatici” ” Gestione della progettazione del vuoto “e” Progettazione con vuoto e ventose “.
Levacuazione dellaria da un volume chiuso sviluppa una differenza di pressione tra il volume e latmosfera circostante. Se questo volume chiuso è vincolato dalla superficie di una ventosa e di un pezzo in lavorazione, la pressione atmosferica comprimerà i due oggetti insieme. La quantità di forza di tenuta dipende dalla superficie condivisa dai due oggetti e dal livello di vuoto. In un sistema per vuoto industriale, una pompa per vuoto o un generatore rimuove laria da un sistema per creare un differenziale di pressione.
Perché è praticamente impossibile per rimuovere tutte le molecole daria da un contenitore non è possibile ottenere un vuoto perfetto. Naturalmente, man mano che viene rimossa più aria, il differenziale di pressione aumenta e la forza del vuoto potenziale diventa maggiore.
Il livello di vuoto è determinato dalla differenza di pressione tra il volume evacuato e latmosfera circostante. È possibile utilizzare diverse unità di misura. La maggior parte si riferisce allaltezza di una colonna di mercurio, solitamente pollici di mercurio (in.-Hg) o millimetri di mercurio (mm-Hg). Lunità metrica comune per la misurazione del vuoto è il millibar o mbar. Altre unità di pressione talvolta utilizzate per esprimere il vuoto includono le unità correlate di atmosfere, torr e micron. Unatmosfera standard equivale a 14,7 psi (29,92 pollici-Hg). Qualsiasi frazione di atmosfera è un vuoto parziale e corrisponde a una pressione relativa negativa. Un torr è definito come 1/760 di atmosfera e può anche essere considerato come 1 mm-Hg, dove 760 mm-Hg equivale a 29,92 in.-Hg. Ancora più piccolo è il micron, definito come 0,001 torr. Tuttavia, queste unità vengono utilizzate più spesso quando si tratta di vuoti quasi perfetti, di solito in condizioni di laboratorio e raramente in applicazioni di potenza fluida.
La pressione atmosferica viene misurata con un barometro. Un barometro è costituito da un tubo verticale evacuato con lestremità superiore chiusa e lestremità inferiore appoggiata in un contenitore di mercurio aperto allatmosfera, Figura 1. La pressione esercitata dallatmosfera agisce sulla superficie esposta del liquido per forzare il mercurio nel tubo. La pressione atmosferica a livello del mare supporterà una colonna di mercurio generalmente non più di 29,92 pollici. alto. Pertanto, lo standard per la pressione atmosferica a livello del mare è 29,92 pollici-Hg, che si traduce in una pressione assoluta di 14,69 psia.
I due punti di riferimento di base in tutte queste misurazioni sono la pressione atmosferica standard e una perfetta vuoto. Alla pressione atmosferica, il valore 0 pollici-Hg è equivalente a 14,7 psia. Al punto di riferimento opposto, 0 psia, – un vuoto perfetto (se potesse essere raggiunto) – avrebbe un valore uguale allaltro estremo del suo intervallo, 29,92 in.-Hg. Tuttavia, il calcolo delle forze di lavoro o delle variazioni di volume nei sistemi per vuoto richiede conversioni in pressione relativa negativa (psig) o pressione assoluta (psia).
Alla pressione atmosferica viene assegnato il valore zero sui quadranti della maggior parte dei manometri . Le misurazioni del vuoto devono quindi essere inferiori a zero. La pressione relativa negativa è generalmente definita come la differenza tra un dato vuoto del sistema e la pressione atmosferica.
Misura del vuoto
Diversi tipi di misuratori misurano il livello di vuoto. Un manometro a tubo Bourdon è compatto ed è il dispositivo più utilizzato per monitorare il funzionamento e le prestazioni del sistema per vuoto. La misurazione si basa sulla deformazione di un tubo Bourdon elastico curvo quando viene applicato il vuoto alla porta del manometro. Con il collegamento appropriato, i manometri del tubo Bourdon composto indicano sia il vuoto che la pressione positiva.
Una controparte elettronica per il vacuometro è il trasduttore. Il vuoto o la pressione devia un diaframma metallico elastico. Questa deflessione varia le caratteristiche elettriche dei circuiti interconnessi per produrre un segnale elettronico che rappresenta il livello di vuoto.
Un manometro con tubo a U, Figura 2, indica la differenza tra due pressioni. Nella sua forma più semplice, un manometro è un tubo a U trasparente riempito per metà di mercurio. Con entrambe le estremità del tubo esposte alla pressione atmosferica, il il livello di mercurio in ogni gamba è lo stesso, applicando il vuoto a una gamba il mercurio aumenta in quel livello ge di cadere nellaltro. Il dislivello tra i due livelli indica il livello di vuoto. I manometri possono misurare il vuoto direttamente fino a 29.25 in.-Hg.
Un manometro assoluto mostra la pressione al di sopra di un vuoto perfetto teorico.Ha la stessa forma a U del manometro, ma una gamba del manometro della pressione assoluta è sigillata, Figura 3. Mercurio riempie questa gamba sigillata quando il manometro è a riposo. Lapplicazione del vuoto alla gamba non sigillata abbassa il livello di mercurio nella gamba sigillata. Il livello di vuoto viene misurato con una scala mobile posizionata con il suo punto zero a livello di mercurio nella gamba non sigillata. Pertanto, questo manometro compensa le variazioni della pressione atmosferica.
Sistemi per vuoto industriali
I vuoti rientrano in tre intervalli:
- ruvida (o grossolana), fino a 28 pollici-Hg
- media (o fine), fino a un micron,
- alta, maggiore di un micron.
Quasi tutti i sistemi di vuoto industriale sono rozzi. In effetti, la maggior parte delle applicazioni di sollevamento e bloccaggio del pezzo operano a livelli di vuoto di soli 12-18 pollici-Hg. Questo perché generalmente è più economico aumentare la forza di sollevamento o di tenuta aumentando larea di contatto tra il pezzo in lavorazione e la ventosa piuttosto che tirare un vuoto più elevato e utilizzare la stessa area di contatto.
Vuoto medio viene utilizzato per applicazioni di processo quali distillazione molecolare, liofilizzazione, degasaggio e operazioni di rivestimento. Gli alto vuoto sono utilizzati negli strumenti di laboratorio, come microscopi elettronici, spettrometri di massa e acceleratori di particelle.
Un tipico sistema per vuoto è costituito da una sorgente di vuoto, linee di erogazione, raccordi e varie valvole di controllo, interruttori, filtri e dispositivi di protezione. La prevenzione delle perdite è particolarmente importante con i sistemi a vuoto perché anche perdite molto piccole possono ridurre notevolmente le prestazioni e lefficienza. Se si utilizza un tubo di plastica, come spesso accade, assicurarsi che sia progettato per il servizio sottovuoto. In caso contrario, le pareti del tubo potrebbero collassare sotto vuoto e bloccare il flusso. Inoltre, le linee del vuoto devono essere corte e strette quanto più è pratico per limitare il volume di aria che deve essere evacuata.
Unimportante considerazione progettuale per le applicazioni di bloccaggio è quella di utilizzare la pompa del vuoto solo per raggiungere il livello di vuoto necessario. Una volta che il pezzo in lavorazione è in contatto con la ventosa e il vuoto richiesto raggiunto, la diseccitazione di una valvola normalmente chiusa manterrà il vuoto a tempo indefinito, a condizione che non si verifichino perdite. Mantenere il vuoto in questo modo non consuma energia ed evita di dover azionare continuamente la pompa del vuoto.
Le aziende offrono anche dispositivi proprietari, come ventose con valvole integrate e valvole che interrompono il flusso da una tazza che mostra un eccesso perdita. Questa valvola è progettata per evitare la chiusura di falsi allarmi quando si trattengono pezzi porosi (come il cartone), ma impedire che una perdita in una ventosa riduca il vuoto in una tazza adiacente.
Selezione della pompa del vuoto
Il primo passo importante nella scelta della pompa del vuoto giusta è confrontare i requisiti di vuoto dellapplicazione con i valori di vuoto massimi delle pompe commerciali. A livelli bassi, cè unampia scelta di pompe. Ma allaumentare del livello di vuoto, la scelta si restringe, a volte fino al punto in cui può essere disponibile un solo tipo di pompa.
Per calcolare le esigenze di vuoto di un sistema, considerare tutti i dispositivi di lavoro da azionare. Il vuoto dei dispositivi può essere determinato da calcoli basati su formule del manuale, dati teorici, informazioni di catalogo, curve di prestazione o test effettuati con sistemi prototipo. Una volta che si conosce il vuoto richiesto, è possibile iniziare a cercare pompe in grado di soddisfare i requisiti dellapplicazione.
Il valore nominale del vuoto massimo per una pompa è comunemente espresso per cicli di lavoro continui o intermittenti e può essere ottenuto dai produttori di pompe. Poiché il vuoto teorico massimo a livello del mare è 29,92 pollici-Hg, le capacità effettive della pompa sono basati su e confrontati con questo valore teorico. A seconda del progetto della pompa, il limite di vuoto varia da 28 a 29,5 pollici di Hg o circa il 93\% o il 98\% del valore teorico massimo. Per alcuni tipi di pompa, il valore di vuoto massimo saràbasarsi su questo limite massimo pratico. Per altri, dove la dissipazione del calore è un problema, la valutazione del vuoto massimo potrebbe anche tenere conto dellaumento di temperatura consentito.
Pompe per vuoto meccaniche
Una pompa per vuoto convenzionale può essere pensata come un compressore che funziona con la sua aspirazione al di sotto della pressione atmosferica e lo scarico a pressione atmosferica. I compressori e le pompe per vuoto hanno meccanismi di pompaggio identici. La pompa a vuoto viene semplicemente convogliata per prelevare laria da un contenitore chiuso e scaricarla nellatmosfera, che è esattamente lopposto di ciò che fa un compressore. Sebbene le macchine abbiano molte somiglianze, nella progettazione del sistema devono essere considerate due differenze significative tra le azioni di compressione e di pompaggio del vuoto. La variazione massima di pressione prodotta da una pompa a vuoto è limitata; non può mai essere superiore alla pressione atmosferica. Inoltre, allaumentare del vuoto, il volume daria che passa attraverso la pompa diminuisce continuamente.Pertanto, la pompa stessa alla fine deve assorbire praticamente tutto il calore generato.
Le pompe per vuoto meccaniche generalmente sono classificate come cilindrate positive o non positive (dinamiche). Le pompe volumetriche aspirano un volume daria relativamente costante nonostante qualsiasi variazione del livello di vuoto e possono generare un vuoto relativamente alto. I tipi principali di pompe volumetriche includono: pistone alternativo e oscillante, palette rotanti, diaframma, rotore lobato e design a vite rotante.
Le pompe volumetriche non positive utilizzano cambiamenti di energia cinetica per spostare laria fuori un sistema chiuso. Forniscono portate molto elevate, ma non possono raggiungere un vuoto spinto. Le principali pompe volumetriche sono centrifughe multistadio, unità a flusso assiale e soffianti rigenerative (o periferiche). Di questi, solo il soffiatore è una scelta economica per sistemi per vuoto indipendenti o dedicati.
Le considerazioni sulla temperatura sono molto importanti quando si seleziona una pompa per vuoto meccanica perché un calore esterno o interno elevato può influire notevolmente sulle prestazioni e sul servizio della pompa vita. La temperatura interna della pompa è importante perché allaumentare del livello di vuoto, è presente meno aria per portare via il calore generato, quindi la pompa deve assorbire una maggiore quantità di calore. Le pompe per impieghi gravosi con sistemi di raffreddamento sono spesso necessarie per applicazioni ad alto vuoto. Ma le pompe per servizio leggero possono funzionare al massimo vuoto per brevi periodi di tempo se cè un adeguato periodo di raffreddamento tra i cicli. La pompa subisce un aumento totale della temperatura come risultato di tutte le fonti di calore che agiscono su di essa: calore generato internamente più calore da perdite interne, compressione, attrito e temperatura ambiente esterna.
Pompe per vuoto tipo Venturi
Molte macchine che richiedono il vuoto utilizzano anche aria compressa. E se il vuoto è richiesto solo in modo intermittente, laria compressa già disponibile può essere utilizzata per generare il vuoto attraverso un dispositivo chiamato generatore di vuoto, noto anche come eiettore del vuoto o pompa del vuoto. Inoltre, laria compressa può anche essere utilizzata in combinazione con una ventosa producendo un soffio daria per accelerare il rilascio del pezzo.
I generatori di vuoto funzionano in base al principio Venturi, Figura 4. Filtrato, non lubrificato laria compressa entra attraverso lingresso A . Un orifizio diffusore (ugello), B , fa aumentare la velocità del flusso daria, abbassandone la pressione, creando un vuoto nel canale C . Il flusso daria viene scaricato nellatmosfera attraverso il silenziatore D .
I generatori di vuoto offrono diversi vantaggi. Sono compatti e leggeri, quindi spesso possono essere montati in corrispondenza o vicino al punto di utilizzo. Sono economici e, poiché non hanno parti in movimento, non richiedono la manutenzione associata alle pompe per vuoto meccaniche. Non hanno bisogno di una fonte di alimentazione elettrica perché generano il vuoto attingendo a un sistema di aria compressa esistente. Tuttavia, se montato a posteriori su una macchina, potrebbe essere necessario aumentare la capacità del sistema pneumatico esistente. La generazione di calore, che spesso è il fattore limitante con le pompe per vuoto meccaniche, è poco preoccupante per i generatori di vuoto.
Le pompe meccaniche molto spesso sono specificate per fornire una macchina con il vuoto su base continua. Ma molte di queste macchine utilizzano effettivamente il vuoto solo in modo intermittente in molti luoghi diversi. In casi come questo, i generatori di vuoto possono fornire unalternativa pratica fornendo il vuoto in modo intermittente a ciascuna fonte anziché in modo continuo per lintera macchina.
I generatori di vuoto vengono controllati semplicemente avviando o terminando il flusso di aria compressa allugello. I generatori di vuoto sono stati utilizzati per decenni, ma miglioramenti relativamente recenti hanno portato a design di ugelli che forniscono efficienze operative più elevate.
Un altro sviluppo che utilizza Venturis sono i generatori di vuoto multistadio. In questa configurazione, due o più generatori di vuoto sono collegati in serie per produrre un flusso di vuoto maggiore senza utilizzare più aria compressa. In sostanza, lo scarico del primo ugello (che determina il livello di vuoto massimo raggiungibile) serve come ingresso per un secondo stadio. Lo scarico del secondo stadio serve quindi come ingresso per un terzo stadio. Ciò significa che un generatore multistadio evacua un dato volume più velocemente di un generatore monostadio, ma alla fine entrambi otterranno lo stesso livello di vuoto.
La selezione di un generatore di vuoto dipende dalla forza di sollevamento richiesta e il volume daria che deve essere evacuato.La forza di sollevamento dipende dal livello di vuoto che il generatore può tirare – che, a sua volta, dipende dalla pressione dellaria fornita – e dallarea effettiva della ventosa. Nella maggior parte delle applicazioni è importante che un generatore sia in grado di aspirare il vuoto richiesto nel minor tempo possibile per ridurre al minimo il consumo daria
Risposta
Dipende da “cosa” farebbe sia il vuoto assoluto e “dove” vorresti che fosse.
Se vuoi un volume senza materia (atomi o molecole), allora è possibile crearlo qui sulla Terra.
MA.
Solo in un volume estremamente piccolo e per un tempo molto breve.
In genere, le particelle la densità diminuisce man mano che si abbassa la pressione. In condizioni normali si ottengono qualcosa come 10 ^ 20 particelle (molecole o atomi) per cm cubo. Quando si scende allultra alto vuoto (pressione di 10 ^ -10 mbar) in una camera come quella nella foto sotto, si ottengono milioni di particelle per cm cubo. Ancora parecchio, ma non puoi scendere di meno con lattrezzatura scientifica “standard”.
(Multiprobe Surface Science System a NBMC )
Per scendere devi visitare il CERN, dove puoi trovare il “contenitore antimateria” con 10 ^ – 17 mbar di pressione allinterno.
(trappola ionica al CERN)
Sono come cento particelle in un cm cubi. Considera la dimensione di un atomo intorno a 10 ^ -12 me ottieni qualcosa come volumi di diversi millimetri cubi di breve durata con vuoto assoluto tra gli atomi (in media). Ora stiamo parlando! Questo è il volume a cui un normale essere umano (non fisico) può facilmente pensare.
Se questo non è abbastanza per te, allora devi optare per il vuoto naturale. E questo ovviamente non può essere osservato sulla Terra perché abbiamo molte cose che volano intorno a noi.
Quindi devi spostarti fuori dal nostro pianeta. Per pressioni di 10 ^ -17 mbar (tipo CERN) dovresti visitare lo spazio interplanetario, ma vogliamo di PIÙ! Voglio dire, meno …
Il prossimo passo sarebbe lasciare il Sistema Solare e spostarsi nello spazio interstellare. Nella nostra galassia la densità stimata delle particelle interstellari è di circa cinquantamila per metro cubo. WHOA! Potresti mettere il tuo dito in un vuoto assoluto! Solo per un po , poiché le molecole che evaporano dalla tua tuta spaziale la contaminerebbero rapidamente. E se il dito non è sufficiente, spostiamoci nello spazio intergalattico con una particella per metro cubo . Ora tutta la tua testa si inserisce nel vuoto assoluto!
(Penso che sarebbe il luogo in cui alcune persone potrebbero trovare un equilibrio nella vita. Assolutamente niente fuori e dentro le loro teste!)
Congratulazioni se sei riuscito a leggere tutto quanto sopra e sei arrivato fin qui.
MA.
A questo punto Devo deluderti! Anche se riuscissi a vagare nello spazio intergalattico cercando un posto veramente vuoto in cui mettere la testa, ti accorgeresti solo che è pieno di… ENERGIA! Lo sfondo cosmico a microonde è lì. Le radiazioni reliquie dei tempi del Big Bang ti aspettano in ogni angolo dellUniverso …
Sì, se mai riuscissi a sbarazzarti di tutta la materia, ci sarebbe ancora molta energia.
E anche se tu potessi in qualche modo schermare tutte le radiazioni, la teoria quantistica non ti permetterebbe di essere solo … poiché anche il vuoto quantistico totalmente assoluto è pieno di fluttuazioni di energia e particelle virtuali. Quindi la conclusione è:
NON PUO ESSERE ALCUN VUOTO ASSOLUTO NESSUNA PARTE NELLUNIVERSO.
OOPS! Scusate. Ho dimenticato di dirti che lo sappiamo da parecchio tempo? Da quando Aristotele ha detto che la natura detesta il vuoto più di due millenni fa?