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Fundamentos do vácuo
Para uma análise mais aprofundada dos sistemas de vácuo, leia “Colocando o vácuo para trabalhar,” “Comprima a economia de energia dos sistemas pneumáticos,” ” Manuseando projeto de vácuo “e” Projeto com vácuo e ventosas. “
Evacuar o ar de um volume fechado desenvolve um diferencial de pressão entre o volume e a atmosfera circundante. Se este volume fechado for limitado pela superfície de uma ventosa e uma peça de trabalho, a pressão atmosférica pressionará os dois objetos um contra o outro. A quantidade de força de retenção depende da área de superfície compartilhada pelos dois objetos e do nível de vácuo. Em um sistema de vácuo industrial, uma bomba de vácuo ou gerador remove o ar de um sistema para criar um diferencial de pressão.
Porque é virtualmente impossível para remover todas as moléculas de ar de um recipiente, um vácuo perfeito não pode ser alcançado. É claro que, à medida que mais ar é removido, o diferencial de pressão aumenta e a força potencial de vácuo se torna maior.
O nível de vácuo é determinado pelo diferencial de pressão entre o volume evacuado e a atmosfera circundante. Várias unidades de medida podem ser usadas. A maioria se refere à altura de uma coluna de mercúrio – geralmente polegadas de mercúrio (pol.-Hg) ou milímetros de mercúrio (mm-Hg). A unidade métrica comum para medição de vácuo é o milibar ou mbar. Outras unidades de pressão às vezes usadas para expressar vácuo incluem as unidades inter-relacionadas de atmosferas, torr e mícrons. Uma atmosfera padrão é igual a 14,7 psi (29,92 pol.-Hg). Qualquer fração de uma atmosfera é um vácuo parcial e equivale à pressão manométrica negativa. Uma torr é definida como 1/760 de uma atmosfera e também pode ser considerada como 1 mm-Hg, onde 760 mm-Hg é igual a 29,92 pol.-Hg. Ainda menor é o mícron, definido como 0,001 torr. No entanto, essas unidades são usadas com mais frequência ao lidar com vácuos quase perfeitos, geralmente em condições de laboratório, e raramente em aplicações de energia fluida.
A pressão atmosférica é medida com um barômetro. Um barômetro consiste em um tubo vertical evacuado com sua extremidade superior fechada e sua extremidade inferior descansando em um recipiente de mercúrio aberto para a atmosfera, Figura 1. A pressão exercida pela atmosfera atua na superfície exposta do líquido para forçar o mercúrio para dentro do tubo. A pressão atmosférica ao nível do mar suportará uma coluna de mercúrio geralmente não mais do que 29,92 pol. Alto. Assim, o padrão para a pressão atmosférica ao nível do mar é 29,92 pol.-Hg, o que se traduz em uma pressão absoluta de 14,69 psia.
Os dois pontos de referência básicos em todas essas medições são a pressão atmosférica padrão e um perfeito vácuo. À pressão atmosférica, o valor 0 pol.-Hg é equivalente a 14,7 psia. No ponto de referência oposto, 0 psia, – um vácuo perfeito (se pudesse ser atingido) – teria um valor igual ao outro extremo de sua faixa, 29,92 pol.-Hg. No entanto, o cálculo das forças de trabalho ou mudanças no volume em sistemas de vácuo requer conversões para pressão manométrica negativa (psig) ou pressão absoluta (psia).
A pressão atmosférica é atribuída ao valor zero nos mostradores da maioria dos manômetros . As medições de vácuo devem, portanto, ser menores que zero. A pressão manométrica negativa geralmente é definida como a diferença entre o vácuo de um determinado sistema e a pressão atmosférica.
Medição do vácuo
Vários tipos de medidores medem o nível de vácuo. Um medidor tipo tubo Bourdon é compacto e o dispositivo mais amplamente usado para monitorar a operação e o desempenho do sistema de vácuo. A medição é baseada na deformação de um tubo Bourdon elástico curvo quando o vácuo é aplicado à porta do medidor. Com a ligação adequada, os medidores de tubo Bourdon compostos indicam tanto o vácuo quanto a pressão positiva.
Uma contraparte eletrônica para o medidor de vácuo é o transdutor. Vácuo ou pressão desvia um diafragma de metal elástico. Essa deflexão varia as características elétricas dos circuitos interconectados para produzir um sinal eletrônico que representa o nível de vácuo.
Um manômetro de tubo em U, Figura 2, indica a diferença entre duas pressões. Em sua forma mais simples, um manômetro é um tubo em U transparente cheio de mercúrio pela metade. Com ambas as extremidades do tubo expostas à pressão atmosférica, o o nível de mercúrio em cada perna é o mesmo. Aplicar vácuo a uma perna faz com que o mercúrio suba nessa perna ge cair no outro. A diferença de altura entre os dois níveis indica o nível de vácuo. Os manômetros podem medir o vácuo diretamente até 29,25 pol.-Hg.
Um medidor de pressão absoluta mostra a pressão acima de um vácuo teórico perfeito.Ele tem a mesma forma de U que o manômetro, mas uma perna do manômetro absoluto é selada, Figura 3. Mercúrio preenche esta perna selada quando o medidor está em repouso. Aplicar vácuo à perna não lacrada reduz o nível de mercúrio na perna selada. O nível de vácuo é medido com uma escala móvel colocada com seu ponto zero no nível de mercúrio na perna não selada. Assim, este medidor compensa as mudanças na pressão atmosférica.
Sistemas de vácuo industrial
Os vácuos se enquadram em três faixas:
- áspero (ou grosso), até 28 pol.-Hg
- médio (ou fino), até um mícron,
- alto, maior que um mícron.
Quase todos os sistemas de vácuo industriais são ásperos. Na verdade, a maioria das aplicações de levantamento e fixação opera em níveis de vácuo de apenas 12 a 18 pol. -Hg. Isso ocorre porque geralmente é mais econômico aumentar a força de levantamento ou retenção, aumentando a área de contato entre a peça de trabalho e a ventosa do que puxar um vácuo mais alto e usar a mesma área de contato.
Vácuo médio é usado para aplicações de processo, como destilação molecular, liofilização, desgaseificação e operações de revestimento. Os altos vácuos são usados em instrumentos de laboratório, como microscópios eletrônicos, espectrômetros de massa e aceleradores de partículas.
Um sistema de vácuo típico consiste em uma fonte de vácuo, linhas de distribuição, acessórios e várias válvulas de controle, interruptores, filtros e dispositivos de proteção. A prevenção de vazamento é especialmente importante com sistemas de vácuo, porque mesmo vazamentos muito pequenos podem diminuir muito o desempenho e a eficiência. Se for usada tubulação de plástico – como geralmente é o caso – certifique-se de que ela seja projetada para serviço a vácuo. Caso contrário, as paredes da tubulação podem ruir sob o vácuo e bloquear o fluxo. Além disso, as linhas de vácuo devem ser tão curtas e estreitas quanto possível para limitar o volume de ar que deve ser evacuado.
Uma consideração importante de projeto para aplicações de fixação é usar a bomba de vácuo apenas para atingir o nível de vácuo requeridos. Uma vez que a peça de trabalho está em contato com a ventosa e o vácuo necessário alcançado, desenergizar uma válvula normalmente fechada irá reter o vácuo indefinidamente – desde que nenhum vazamento ocorra. Manter o vácuo dessa maneira não consome energia e evita ter que operar a bomba de vácuo continuamente.
As empresas também oferecem dispositivos proprietários, como ventosas com válvulas integradas e válvulas que encerram o fluxo de um copo que exibe excessivo vazamento. Esta válvula é projetada para evitar o desligamento de alarme falso ao segurar peças porosas (como papelão), mas evita que um vazamento em uma ventosa reduza o vácuo em uma ventosa adjacente.
Seleção da bomba de vácuo
A primeira etapa importante na seleção da bomba de vácuo certa é comparar os requisitos de vácuo da aplicação com as classificações de vácuo máximas das bombas comerciais. Em níveis baixos, há uma grande variedade de bombas. Mas conforme o nível de vácuo aumenta, a escolha diminui, às vezes até o ponto em que apenas um tipo de bomba pode estar disponível.
Para calcular as necessidades de vácuo de um sistema, considere todos os dispositivos de trabalho a serem acionados. O vácuo dos dispositivos pode ser determinado por cálculos baseados em fórmulas de manuais, dados teóricos, informações de catálogo, curvas de desempenho ou testes feitos com sistemas protótipos. Depois de saber o vácuo necessário, você pode começar a procurar bombas que possam acomodar os requisitos da aplicação.
A classificação de vácuo máximo para uma bomba é comumente expressa para ciclos de trabalho contínuos ou intermitentes e pode ser obtida dos fabricantes de bombas. Como o vácuo teórico máximo ao nível do mar é 29,92 pol.-Hg, capacidades reais da bomba baseiam-se e são comparados a este valor teórico. Dependendo do projeto da bomba, o limite de vácuo varia de 28 a 29,5 pol.-Hg ou cerca de 93\% ou 98\% do valor teórico máximo. Para alguns tipos de bomba, a classificação de vácuo máximo serábasear-se neste limite superior prático. Para outros, onde a dissipação de calor é um problema, a classificação de vácuo máximo também pode levar em consideração o aumento de temperatura permitido.
Bombas de vácuo mecânicas
Uma bomba de vácuo convencional pode ser considerada como um compressor que opera com sua entrada abaixo da pressão atmosférica e a descarga na pressão atmosférica. Compressores e bombas de vácuo têm mecanismos de bombeamento idênticos. A bomba de vácuo é simplesmente canalizada para retirar o ar de um recipiente fechado e expelir para a atmosfera, que é exatamente o oposto do que um compressor faz. Embora as máquinas tenham muitas semelhanças, duas diferenças significativas entre as ações de compressão e de bombeamento a vácuo devem ser consideradas no projeto do sistema. A mudança máxima na pressão produzida por uma bomba de vácuo é limitada; nunca pode ser maior do que a pressão atmosférica. Além disso, conforme o vácuo aumenta, o volume de ar que passa pela bomba cai continuamente.Portanto, a própria bomba deve finalmente absorver praticamente todo o calor gerado.
As bombas de vácuo mecânicas geralmente são classificadas como deslocamento positivo ou deslocamento não positivo (dinâmico). As bombas de deslocamento positivo puxam um volume relativamente constante de ar, apesar de qualquer variação no nível de vácuo e podem puxar um vácuo relativamente alto. Os principais tipos de bombas de deslocamento positivo incluem: pistão alternativo e oscilante, palheta rotativa, diafragma, rotor lobulado e projetos de parafuso rotativo.
As bombas de deslocamento não positivo usam mudanças de energia cinética para mover o ar para fora um sistema fechado. Eles fornecem taxas de fluxo muito altas, mas não podem atingir alto vácuo. As principais bombas de deslocamento não positivo são centrífugas de múltiplos estágios, unidades de fluxo axial e sopradores regenerativos (ou periféricos). Destes, apenas o soprador é uma escolha econômica para sistemas de vácuo autônomos ou dedicados.
As considerações de temperatura são muito importantes ao selecionar uma bomba de vácuo mecânica porque o alto calor externo ou interno pode afetar significativamente o desempenho da bomba e o serviço vida. A temperatura interna da bomba é importante porque à medida que o nível de vácuo aumenta, menos ar está presente para transportar o calor gerado, portanto, a bomba deve absorver mais calor. Bombas pesadas com sistemas de resfriamento são freqüentemente necessárias para aplicações de alto vácuo. Mas as bombas leves podem operar no vácuo máximo por curtos períodos de tempo se houver um período de resfriamento adequado entre os ciclos. A bomba experimenta um aumento total de temperatura como resultado de todas as fontes de calor agindo sobre ela – calor gerado internamente mais calor de vazamento interno, compressão, fricção e temperatura ambiente externa.
Bombas de vácuo do tipo Venturi
Muitas máquinas que requerem vácuo também usam ar comprimido. E se o vácuo for necessário apenas de forma intermitente, o ar comprimido que já está disponível pode ser usado para gerar vácuo por meio de um dispositivo denominado gerador de vácuo, também conhecido como ejetor de vácuo ou bomba de vácuo. Além disso, o ar comprimido também pode ser usado em combinação com uma ventosa produzindo um sopro de ar para acelerar a liberação da peça de trabalho.
Os geradores de vácuo operam com base no princípio de venturi, Figura 4. Filtrado, não lubrificado o ar comprimido entra pela entrada A . Um orifício difusor (bocal), B , faz com que a velocidade do fluxo de ar aumente, reduzindo assim sua pressão, o que cria um vácuo no canal C . O fluxo de ar chega à atmosfera através do silenciador D .
Os geradores de vácuo oferecem várias vantagens. Eles são compactos e leves, portanto, muitas vezes podem ser montados no ponto de uso ou próximo a ele. São baratos e, por não possuírem peças móveis, não requerem a manutenção associada às bombas de vácuo mecânicas. Eles não precisam de uma fonte de energia elétrica porque geram vácuo ao se conectar a um sistema de ar comprimido existente. No entanto, se adaptado em uma máquina, a capacidade do sistema pneumático existente pode ter que ser aumentada. A geração de calor, que geralmente é o fator limitante com bombas de vácuo mecânicas, é de pouca preocupação com geradores de vácuo.
As bombas mecânicas geralmente são especificadas para fornecer vácuo a uma máquina em uma base contínua. Mas muitas dessas máquinas, na verdade, usam o vácuo apenas intermitentemente em muitos locais diferentes. Em casos como esse, os geradores de vácuo podem fornecer uma alternativa prática, fornecendo vácuo intermitentemente em cada fonte, em vez de continuamente para a máquina inteira.
Os geradores de vácuo são controlados simplesmente iniciando ou encerrando o fluxo de ar comprimido para o bico. Os geradores de vácuo têm sido usados há décadas, mas melhorias relativamente recentes levaram a projetos de bicos que fornecem maior eficiência operacional.
Outro desenvolvimento usando venturis são os geradores de vácuo de vários estágios. Nessa configuração, dois ou mais geradores de vácuo são conectados em série para produzir maior fluxo de vácuo sem usar mais ar comprimido. Essencialmente, a exaustão do primeiro bocal (que determina o nível de vácuo máximo atingível) serve como entrada para um segundo estágio. A exaustão do segundo estágio serve então como entrada para um terceiro estágio. Isso significa que um gerador de vários estágios evacua um determinado volume mais rápido do que um gerador de um único estágio, mas ambos irão eventualmente puxar o mesmo nível de vácuo.
A seleção de um gerador de vácuo depende da força de elevação necessária e o volume de ar que deve ser evacuado.A força de elevação depende do nível de vácuo que o gerador pode puxar – que, por sua vez, depende da pressão de ar fornecida – e da área efetiva da ventosa. Na maioria das aplicações, é importante que um gerador seja capaz de puxar o vácuo necessário no menor tempo possível para minimizar o consumo de ar
Resposta
Isso meio que depende de “o que” vácuo absoluto e “onde” você gostaria que estivesse.
Se você quer um volume sem qualquer matéria (átomos ou moléculas), então é possível criar aqui na Terra.
MAS.
Apenas em um volume extremamente pequeno e por um período muito curto.
Geralmente, partículas a densidade diminui à medida que você diminui a pressão. Em condições normais, você obtém algo como 10 ^ 20 partículas (moléculas ou átomos) por cm cúbico. Quando você desce para o vácuo ultra-alto (pressão de 10 ^ -10 mbar) em uma câmara como a da imagem abaixo, você obtém como um milhão de partículas por cm cúbico. Ainda bastante, mas você não pode diminuir com o equipamento científico “padrão”.
(Sistema de ciência de superfície multiprobe em NBMC )
Para descer você tem que visitar o CERN, onde você pode encontrar o “recipiente de anti-matéria” com 10 ^ – Pressão de 17 mbar no interior.
(Armadilha de íons no CERN)
Isso é como cem partículas em um cm cúbicos. Considere o tamanho de um átomo em cerca de 10 ^ -12 me você terá algo como vários volumes de milímetros cúbicos de curta duração com vácuo absoluto entre os átomos (em média). Agora estamos a falar! Este é o volume em que um ser humano normal (não físico) pode facilmente pensar.
Se isso não for suficiente para você, então você deve ir para o vácuo natural. E isso obviamente não pode ser observado na Terra, pois temos muitas coisas voando ao nosso redor.
Então, você tem que sair de nosso planeta. Para pressões de 10 ^ -17 mbar (semelhante ao CERN), você teria que visitar o espaço interplanetário, mas queremos MAIS! Quer dizer, menos…
O próximo passo seria deixar o Sistema Solar e entrar no espaço interestelar. Em nossa galáxia, a densidade estimada das partículas interestelares é de cerca de cinquenta mil por metro cúbico. UAU! Você pode colocar o dedo em um vácuo absoluto! Apenas por um breve período, pois as moléculas que evaporam de seu traje espacial irão contaminá-lo rapidamente. E se o dedo não for suficiente, então vamos entrar no espaço intergaláctico com uma partícula por metro cúbico . Agora toda a sua cabeça cabe no vácuo absoluto!
(Eu acho que seria o lugar onde algumas pessoas poderiam encontrar algum equilíbrio na vida. Absolutamente nada fora e dentro de suas cabeças!)
Parabéns se você conseguiu ler tudo acima e foi tão longe.
MAS.
Neste ponto Devo desapontá-lo! Mesmo que você conseguisse vagar pelo espaço intergaláctico em busca de um lugar verdadeiramente vazio para colocar sua cabeça, você só perceberia que ele está cheio de … ENERGIA! A radiação cósmica de fundo está aí. Radiação relíquia da época do Big Bang espera por você em todos os cantos do Universo …
Sim – se você pudesse se livrar de toda a matéria, ainda sobraria muita energia.
E mesmo se você pudesse de alguma forma filtrar toda a radiação, a teoria quântica não o deixaria sozinho … já que até mesmo o vácuo quântico totalmente absoluto está cheio de flutuações de energia e partículas virtuais. Portanto, a conclusão é:
NÃO PODE HAVER VÁCUO ABSOLUTO EM QUALQUER LUGAR DO UNIVERSO.
OOPS! Desculpe. Eu esqueci de dizer que nós sabemos disso há muito tempo? Já que Aristóteles disse que a natureza abomina o vácuo há mais de dois milênios?