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Grundlagen des Vakuums
Um einen tieferen Einblick in Vakuumsysteme zu erhalten, lesen Sie „Vakuum in Betrieb nehmen“, „Energieeinsparungen durch pneumatische Systeme drücken“. Handhabung des Vakuumdesigns „und“ Design mit Vakuum- und Saugnäpfen „.
Das Evakuieren von Luft aus einem geschlossenen Volumen entwickelt einen Druckunterschied zwischen dem Volumen und der umgebenden Atmosphäre. Wenn dieses geschlossene Volumen durch die Oberfläche eines Vakuumbechers und eines Werkstücks gebunden wird, drückt der atmosphärische Druck die beiden Objekte zusammen. Die Höhe der Haltekraft hängt von der von den beiden Objekten gemeinsam genutzten Oberfläche und dem Vakuumniveau ab. In einem industriellen Vakuumsystem entfernt eine Vakuumpumpe oder ein Generator Luft aus einem System, um eine Druckdifferenz zu erzeugen.
Weil dies praktisch unmöglich ist Um alle Luftmoleküle aus einem Behälter zu entfernen, kann kein perfektes Vakuum erreicht werden. Wenn mehr Luft entfernt wird, nimmt natürlich die Druckdifferenz zu und die potentielle Vakuumkraft wird größer.
Das Vakuumniveau wird durch die Druckdifferenz zwischen dem evakuierten Volumen und der umgebenden Atmosphäre bestimmt. Es können mehrere Maßeinheiten verwendet werden. Die meisten beziehen sich auf die Höhe einer Quecksilbersäule – normalerweise Zoll Quecksilber (in.-Hg) oder Millimeter Quecksilber (mm-Hg). Die übliche metrische Einheit für die Vakuummessung ist die Millibar oder mbar. Andere Druckeinheiten, die manchmal verwendet werden, um Vakuum auszudrücken, umfassen die miteinander verbundenen Einheiten von Atmosphären, Torr und Mikrometern. Eine Standardatmosphäre entspricht 14,7 psi (29,92 in.-Hg). Jeder Teil einer Atmosphäre ist ein Teilvakuum und entspricht einem Unterdruck. Ein Torr ist definiert als 1/760 einer Atmosphäre und kann auch als 1 mm-Hg angesehen werden, wobei 760 mm-Hg 29,92 in.-Hg entspricht. Noch kleiner ist das Mikron, definiert als 0,001 Torr. Diese Einheiten werden jedoch am häufigsten verwendet, wenn es sich um nahezu perfekte Staubsauger handelt, normalerweise unter Laborbedingungen, und selten bei Anwendungen mit Fluidtechnik.
Der atmosphärische Druck wird mit einem Barometer gemessen. Ein Barometer besteht aus einem evakuierten vertikalen Rohr, dessen oberes Ende geschlossen ist und dessen unteres Ende in einem zur Atmosphäre offenen Quecksilberbehälter ruht (Abbildung 1). Der von der Atmosphäre ausgeübte Druck wirkt auf die freiliegende Oberfläche der Flüssigkeit, um Quecksilber zu erzwingen bis in die Röhre. Der atmosphärische Druck auf Meereshöhe stützt eine Quecksilbersäule im Allgemeinen nicht mehr als 29,92 Zoll. hoch. Somit beträgt der Standard für den atmosphärischen Druck auf Meereshöhe 29,92 Zoll-Hg, was einem absoluten Druck von 14,69 psia entspricht.
Die beiden grundlegenden Bezugspunkte bei all diesen Messungen sind der atmosphärische Standarddruck und ein perfekter Vakuum. Bei atmosphärischem Druck entspricht der Wert 0 in.-Hg 14,7 psia. Am entgegengesetzten Bezugspunkt hätte 0 psia – ein perfektes Vakuum (wenn es erreicht werden könnte) – einen Wert, der dem anderen Extrem seines Bereichs entspricht, 29,92 in.-Hg. Die Berechnung von Arbeitskräften oder Volumenänderungen in Vakuumsystemen erfordert jedoch die Umrechnung in Unterdruck (psig) oder Absolutdruck (psia).
Dem Atmosphärendruck wird auf den Zifferblättern der meisten Manometer der Wert Null zugewiesen . Vakuummessungen müssen daher kleiner als Null sein. Der negative Überdruck wird im Allgemeinen als Differenz zwischen einem bestimmten Systemvakuum und dem atmosphärischen Druck definiert.
Vakuummessung
Verschiedene Arten von Messgeräten messen das Vakuumniveau. Ein Bourdon-Rohrmessgerät ist kompakt und das am weitesten verbreitete Gerät zur Überwachung des Betriebs und der Leistung des Vakuumsystems. Die Messung basiert auf der Verformung eines gekrümmten elastischen Bourdon-Rohrs, wenn Vakuum an den Anschluss des Messgeräts angelegt wird. Bei korrekter Verbindung zeigen zusammengesetzte Bourdon-Rohrmessgeräte sowohl Vakuum als auch Überdruck an.
Ein elektronisches Gegenstück zu Das Vakuummeter ist der Wandler. Vakuum oder Druck lenken eine elastische Metallmembran ab. Diese Auslenkung variiert die elektrischen Eigenschaften der miteinander verbundenen Schaltkreise, um ein elektronisches Signal zu erzeugen, das den Vakuumniveau darstellt.
Ein U-Rohr-Manometer (Abbildung 2) zeigt die Differenz zwischen zwei Drücken an. In seiner einfachsten Form ist ein Manometer ein transparentes U-Rohr, das zur Hälfte mit Quecksilber gefüllt ist. Beide Enden des Rohrs sind atmosphärischem Druck ausgesetzt Der Quecksilbergehalt in jedem Bein ist gleich. Durch Anlegen eines Vakuums an ein Bein steigt das Quecksilber in diesem Bein an g und in den anderen fallen. Der Höhenunterschied zwischen den beiden Ebenen gibt die Vakuumniveau an. Manometer können das Vakuum direkt auf 29,25 in.-Hg messen.
Ein absolutes Manometer zeigt den Druck über einem theoretisch perfekten Vakuum an.Es hat die gleiche U-Form wie das Manometer, aber ein Bein des Absolutmanometers ist versiegelt (Abbildung 3). Quecksilber füllt dieses versiegelte Bein, wenn das Manometer in Ruhe ist. Durch Anlegen von Vakuum an das nicht versiegelte Bein wird der Quecksilbergehalt im versiegelten Bein gesenkt. Das Vakuumniveau wird mit einer Schiebeskala gemessen, deren Nullpunkt auf dem Quecksilberpegel im nicht versiegelten Bein liegt. Somit kompensiert dieses Manometer Änderungen des atmosphärischen Drucks.
Industrielle Vakuumsysteme
Staubsauger fallen in drei Bereiche:
- rau (oder grob), bis zu 28 in.-Hg
- mittel (oder fein), bis zu einem Mikron,
- hoch, größer als ein Mikron.
Fast alle industriellen Vakuumsysteme sind rau. Tatsächlich arbeiten die meisten Hebe- und Werkstückanwendungen bei Vakuumniveaus von nur 12 bis 18 Zoll-Hg. Dies liegt daran, dass es im Allgemeinen wirtschaftlicher ist, die Hub- oder Haltekraft durch Erhöhen der Kontaktfläche zwischen Werkstück und Vakuumbecher zu erhöhen, als ein höheres Vakuum zu ziehen und dieselbe Kontaktfläche zu verwenden.
Mittleres Vakuum wird für Prozessanwendungen wie Molekulardestillation, Gefriertrocknung, Entgasung und Beschichtungsvorgänge verwendet. Hochvakuum wird in Laborinstrumenten wie Elektronenmikroskopen, Massenspektrometern und Teilchenbeschleunigern verwendet.
Ein typisches Vakuumsystem besteht aus einer Vakuumquelle, Förderleitungen, Armaturen und verschiedenen Steuerventilen, Schaltern und Filtern und Schutzvorrichtungen. Die Verhinderung von Leckagen ist bei Vakuumsystemen besonders wichtig, da selbst sehr kleine Lecks die Leistung und Effizienz erheblich beeinträchtigen können. Wenn Kunststoffschläuche verwendet werden – wie dies häufig der Fall ist – stellen Sie sicher, dass sie für den Vakuumbetrieb ausgelegt sind. Andernfalls könnten die Wände des Schlauchs unter Vakuum zusammenbrechen und den Durchfluss blockieren. Außerdem sollten Vakuumleitungen so kurz und schmal sein, wie es zur Begrenzung des zu evakuierenden Luftvolumens praktisch ist.
Eine wichtige konstruktive Überlegung für Anwendungen zum Halten von Werkzeugen besteht darin, die Vakuumpumpe nur zum Erreichen des Vakuumniveaus zu verwenden erforderlich. Sobald das Werkstück Kontakt mit dem Vakuumbecher hat und das erforderliche Vakuum erreicht ist, hält das Abschalten eines normalerweise geschlossenen Ventils das Vakuum unbegrenzt – vorausgesetzt, es tritt keine Leckage auf. Das Halten eines Vakuums auf diese Weise verbraucht keine Energie und vermeidet, dass die Vakuumpumpe kontinuierlich betrieben werden muss.
Unternehmen bieten auch proprietäre Geräte an, wie z. B. Vakuumbecher mit integrierten Ventilen und Ventile, die den Durchfluss aus einem Becher beenden, der einen übermäßigen Wert aufweist Leckage. Dieses Ventil soll eine Fehlalarmabschaltung beim Halten poröser Werkstücke (z. B. Pappe) vermeiden und gleichzeitig verhindern, dass ein Leck an einem Vakuumbecher das Vakuum an einem benachbarten Becher verringert.
Auswahl der Vakuumpumpe
Der erste wichtige Schritt bei der Auswahl der richtigen Vakuumpumpe besteht darin, die Anforderungen an das Anwendungsvakuum mit den maximalen Vakuumwerten kommerzieller Pumpen zu vergleichen. Bei niedrigen Füllständen gibt es eine große Auswahl an Pumpen. Mit zunehmendem Vakuumniveau wird die Auswahl jedoch eingeschränkt, manchmal bis zu dem Punkt, an dem möglicherweise nur ein Pumpentyp verfügbar ist.
Um den Vakuumbedarf eines Systems zu berechnen, müssen alle Arbeitsgeräte angetrieben werden Das Vakuum der Geräte kann durch Berechnungen ermittelt werden, die auf Handbuchformeln, theoretischen Daten, Kataloginformationen, Leistungskurven oder Tests mit Prototypsystemen basieren. Sobald Sie das erforderliche Vakuum kennen, können Sie nach Pumpen suchen, die den Anwendungsanforderungen entsprechen.
Die maximale Vakuumleistung für eine Pumpe wird üblicherweise entweder für kontinuierliche oder intermittierende Arbeitszyklen ausgedrückt und kann von Pumpenherstellern bezogen werden. Da das maximale theoretische Vakuum auf Meereshöhe 29,92 in.-Hg beträgt, beträgt die tatsächliche Pumpenleistung basieren auf diesem theoretischen Wert und werden mit diesem verglichen. Je nach Pumpenkonstruktion liegt die Vakuumgrenze zwischen 28 und 29,5 Zoll-Hg oder etwa 93\% oder 98\% des maximalen theoretischen Werts. Bei einigen Pumpentypen beträgt die maximale Vakuumbewertungauf dieser praktischen Obergrenze basieren. Für andere, bei denen die Wärmeableitung ein Problem darstellt, kann die maximale Vakuumbewertung auch den zulässigen Temperaturanstieg berücksichtigen.
Mechanische Vakuumpumpen
Eine herkömmliche Vakuumpumpe kann als Kompressor betrachtet werden, der mit einem Einlass unter Atmosphärendruck und einem Auslass bei Atmosphärendruck arbeitet. Kompressoren und Vakuumpumpen haben identische Pumpmechanismen. Die Vakuumpumpe wird einfach geleitet, um Luft aus einem geschlossenen Behälter und Abgas in die Atmosphäre abzusaugen, was genau das Gegenteil von dem ist, was ein Kompressor tut. Obwohl die Maschinen viele Ähnlichkeiten aufweisen, müssen bei der Systemkonstruktion zwei signifikante Unterschiede zwischen Kompressions- und Vakuumpumpvorgängen berücksichtigt werden. Die maximale Druckänderung, die von einer Vakuumpumpe erzeugt wird, ist begrenzt; es kann niemals höher als der atmosphärische Druck sein. Außerdem nimmt mit zunehmendem Vakuum das durch die Pumpe strömende Luftvolumen kontinuierlich ab.Daher muss die Pumpe selbst schließlich praktisch die gesamte erzeugte Wärme aufnehmen.
Mechanische Vakuumpumpen werden im Allgemeinen entweder als Verdrängung oder nicht Verdrängung (dynamisch) eingestuft. Verdrängerpumpen saugen trotz Schwankungen des Vakuumniveaus ein relativ konstantes Luftvolumen und können ein relativ hohes Vakuum ziehen. Die Haupttypen von Verdrängerpumpen umfassen: Hubkolben- und Schaukelkolben, Drehschaufel, Membran, Lappenrotor und Drehschraubenkonstruktionen.
Nicht-Verdrängerpumpen verwenden kinetische Energieänderungen, um Luft heraus zu bewegen ein geschlossenes System. Sie bieten sehr hohe Durchflussraten, können jedoch kein Hochvakuum erreichen. Wichtige Nicht-Verdrängerpumpen sind mehrstufige Kreisel-, Axialströmungseinheiten und regenerative (oder periphere) Gebläse. Von diesen ist nur das Gebläse eine wirtschaftliche Wahl für eigenständige oder dedizierte Vakuumsysteme.
Bei der Auswahl einer mechanischen Vakuumpumpe sind Temperaturüberlegungen sehr wichtig, da eine hohe externe oder interne Wärme die Leistung und den Service der Pumpe stark beeinträchtigen kann Leben. Die interne Pumpentemperatur ist wichtig, da mit zunehmendem Vakuumniveau weniger Luft vorhanden ist, um die erzeugte Wärme abzuleiten, sodass die Pumpe mehr Wärme aufnehmen muss. Hochleistungspumpen mit Kühlsystemen werden häufig für Hochvakuumanwendungen benötigt. Leichtpumpen können jedoch für kurze Zeit mit maximalem Vakuum betrieben werden, wenn zwischen den Zyklen eine ausreichende Abkühlzeit liegt. Die Pumpe erfährt einen Gesamttemperaturanstieg infolge aller auf sie einwirkenden Wärmequellen – intern erzeugte Wärme plus Wärme aus interner Leckage, Kompression, Reibung und externer Umgebungstemperatur.
Venturi-Vakuumpumpen
Viele Maschinen, die Vakuum benötigen, verwenden auch Druckluft. Und wenn Vakuum nur zeitweise benötigt wird, kann die bereits verfügbare Druckluft verwendet werden, um Vakuum durch ein Gerät zu erzeugen, das als Vakuumgenerator bezeichnet wird und auch als Vakuumejektor oder Vakuumpumpe bezeichnet wird. Darüber hinaus kann die Druckluft auch in Kombination mit einem Vakuumbecher verwendet werden, indem ein Luftstoß erzeugt wird, um die Freigabe des Werkstücks zu beschleunigen.
Vakuumgeneratoren arbeiten nach dem Venturi-Prinzip (Abbildung 4). Gefiltert, nicht geschmiert Druckluft tritt durch den Einlass A ein. Eine Diffusoröffnung (Düse), B , bewirkt eine Geschwindigkeitssteigerung des Luftstroms, wodurch sein Druck verringert wird, wodurch ein Vakuum im Kanal C . Der Luftstrom wird durch den Schalldämpfer D an die Atmosphäre abgegeben.
Vakuumgeneratoren bieten mehrere Vorteile. Sie sind kompakt und leicht, sodass sie häufig am oder in der Nähe des Einsatzortes montiert werden können. Sie sind kostengünstig und erfordern keine Wartung, die mit mechanischen Vakuumpumpen verbunden ist, da sie keine beweglichen Teile aufweisen. Sie benötigen keine elektrische Energiequelle, da sie durch Anzapfen eines vorhandenen Druckluftsystems Vakuum erzeugen. Bei einer Nachrüstung einer Maschine muss jedoch möglicherweise die Kapazität des vorhandenen pneumatischen Systems erhöht werden. Die Wärmeerzeugung, die bei mechanischen Vakuumpumpen häufig der begrenzende Faktor ist, spielt bei Vakuumerzeugern keine Rolle.
Mechanische Pumpen werden meistens spezifiziert, um eine Maschine kontinuierlich mit Vakuum zu versorgen. Viele dieser Maschinen verwenden Vakuum jedoch nur zeitweise an vielen verschiedenen Orten. In solchen Fällen können Vakuumgeneratoren eine praktische Alternative darstellen, indem sie an jeder Quelle intermittierend und nicht kontinuierlich Vakuum für die gesamte Maschine liefern.
Vakuumgeneratoren werden einfach durch Einleiten oder Beenden des Druckluftstroms zur Düse gesteuert. Vakuumgeneratoren werden seit Jahrzehnten verwendet, aber relativ neue Verbesserungen haben zu Düsenkonstruktionen geführt, die höhere Betriebseffizienzen bieten.
Eine weitere Entwicklung unter Verwendung von Venturis sind die mehrstufigen Vakuumgeneratoren. In dieser Konfiguration werden zwei oder mehr Vakuumgeneratoren in Reihe geschaltet, um einen größeren Vakuumfluss zu erzeugen, ohne mehr Druckluft zu verwenden. Im Wesentlichen dient das Abgas aus der ersten Düse (das das maximal erreichbare Vakuumniveau bestimmt) als Eingang für eine zweite Stufe. Der Auspuff aus der zweiten Stufe dient dann als Eingang für eine dritte Stufe. Dies bedeutet, dass ein mehrstufiger Generator ein bestimmtes Volumen schneller evakuiert als ein einstufiger Generator, aber beide ziehen schließlich das gleiche Vakuumniveau.
Die Auswahl eines Vakuumgenerators hängt von der erforderlichen Hubkraft ab und das Luftvolumen, das evakuiert werden muss.Die Hubkraft hängt vom Vakuumniveau ab, das der Generator ziehen kann – was wiederum vom zugeführten Luftdruck abhängt – und von der effektiven Fläche des Vakuumbechers. In den meisten Anwendungen ist es wichtig, dass ein Generator in der Lage ist, das erforderliche Vakuum in so kurzer Zeit wie möglich zu ziehen, um den Luftverbrauch zu minimieren.
Antwort
Es hängt irgendwie von „was“ ab absolutes Vakuum und „wo“ soll es sein.
Wenn Sie ein Volumen ohne Materie (Atome oder Moleküle) wollen, können Sie es hier auf der Erde erzeugen.
ABER.
Nur in extrem kleinem Volumen und für sehr kurze Zeit.
Im Allgemeinen Partikel Die Dichte nimmt ab, wenn Sie den Druck senken. Unter normalen Bedingungen erhalten Sie ungefähr 10 ^ 20 Partikel (Moleküle oder Atome) pro Kubikzentimeter. Wenn Sie in einer Kammer wie der auf dem Bild unten auf das Ultrahochvakuum (Druck von 10 ^ -10 mbar) absteigen, erhalten Sie wie Millionen Partikel pro Kubikzentimeter. Immer noch ziemlich viel, aber mit „normaler“ wissenschaftlicher Ausrüstung kann man nicht niedriger werden.
(Multiprobe Surface Science System) at NBMC )
Um niedriger zu werden, müssen Sie das CERN besuchen, wo Sie den „Anti-Materie-Container“ mit 10 ^ – finden. 17 mbar Druck im Inneren.
(Ionenfalle am CERN)
Das entspricht hundert Partikeln in einem Kubikzentimeter. Betrachten Sie die Größe eines Atoms als etwa 10 ^ -12 m und Sie erhalten so etwas wie kurzlebige Volumina von mehreren Kubikmillimetern mit absolutem Vakuum zwischen den Atomen (im Durchschnitt). Jetzt reden wir! Dies ist das Volumen, an das ein normaler Mensch (Nicht-Physiker) leicht denken kann.
Wenn Ihnen dies nicht ausreicht, müssen Sie sich für ein natürliches Vakuum entscheiden. Und dies kann offensichtlich nicht auf der Erde beobachtet werden, da viele Dinge um uns herum fliegen.
Sie müssen sich also außerhalb unseres Planeten bewegen. Für Drücke von 10 ^ -17 mbar (CERN-ähnlich) müssten Sie den interplanetaren Raum besuchen, aber wir wollen MEHR! Ich meine, weniger …
Der nächste Schritt wäre, das Sonnensystem zu verlassen und in den interstellaren Raum zu gelangen. In unserer Galaxie beträgt die geschätzte interstellare Teilchendichte etwa fünfzigtausend pro Kubikmeter. WHOA! Sie könnten Ihren Finger in ein absolutes Vakuum bringen! Nur für eine kurze Zeit, da Moleküle, die aus Ihrem Raumanzug verdampfen, ihn schnell kontaminieren würden. Und wenn der Finger nicht ausreicht, gehen wir mit einem Partikel pro Kubikmeter in den intergalaktischen Raum. Jetzt passt dein ganzer Kopf in das absolute Vakuum!
(Ich denke, das wäre der Ort, an dem manche Menschen ein Gleichgewicht im Leben finden könnten. Absolut nichts außerhalb und innerhalb ihres Kopfes!)
Herzlichen Glückwunsch, wenn Sie es geschafft haben, alles oben Genannte zu lesen und so weit zu gehen.
ABER.
An diesem Punkt Ich muss dich enttäuschen! Selbst wenn Sie es geschafft hätten, in den intergalaktischen Raum zu wandern und nach einem wirklich leeren Ort zu suchen, in den Sie Ihren Kopf stecken könnten, würden Sie nur erkennen, dass er voller… ENERGIE ist! Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist da. Reliktstrahlung aus der Zeit des Urknalls erwartet Sie in jeder Ecke des Universums…
Ja – wenn Sie jemals alle Materie loswerden könnten, wäre immer noch viel Energie übrig.
Und selbst wenn Sie irgendwie die gesamte Strahlung abschirmen könnten, würde die Quantentheorie Sie nicht alleine lassen … da selbst das absolut absolute Quantenvakuum voller Energiefluktuationen und virtueller Teilchen ist. Die Schlussfolgerung lautet also:
ES KANN ÜBERALL IM UNIVERSUM KEIN ABSOLUTES VAKUUM GIBT.
OOPS! Es tut uns leid. Habe ich vergessen dir zu sagen, dass wir es schon ziemlich lange wissen? Seit Aristoteles vor über zwei Jahrtausenden sagte, dass die Natur das Vakuum verabscheut?