Definicja próżni
Istnieje kilka definicji próżni. Dodatkowo definicje te zmieniały się w miarę rozwoju nauki. Już Leucyp z Miletu w V w p.n.e. głosił teorię budowy materii, w której występowała próżnia. Potem inni filozofowie i wybitni fizycy prowadzili prace badawcze i ogłaszali swoje poglądy.
Doszliśmy do stanu, gdzie w zależności od tego jaki dział fizyki rozważa problematykę próżni, taka występuje definicja. Czy to będzie mechanika klasyczna, czy mechanika kwantowa, czy teoria względności to wszystkie definicje próżni są jednak zbliżone do siebie.
Generalnie próżnia to jest stan o najniższej energii, albo przestrzeń w której nie ma oddziaływających na siebie cząstek, albo stan najwyższego rozrzedzenia gazu, albo przestrzeń o bardzo niskim ciśnieniu gazu.
Niezależnie od definicji próżnia jest stanem bardzo przydatnym w technice, wytwarzanym przez pompy próżniowe i charakteryzującym się podziałem na rodzaje próżni w zależności od panującego ciśnienia.
Jednostki próżni
Próżnia nie ma swojej oddzielnej jednostki. Charakteryzują ją jednostki ciśnienia czyli siły oddziaływającej na jednostkę powierzchni. Rozumienie jest jednak takie, że ciśnienie jest wyższe od ciśnienia atmosferycznego, a próżnia od niego niższa. Natomiast stosowane jednostki to mbar, Pa, mmHg, Torr, at, atm.
Ważną granicą jest ciśnienie atmosferyczne. Jest to ciśnienie panujące w atmosferze (w naszym przypadku Ziemi), ale zmienia się ono wraz ze zmianą wysokości npm. szerokości geograficznej albo temperatury powietrza. Dlatego w branży technicznej przyjęto wzorcowe warunki atmosferyczne, które określają ciśnienie na 1013,25 mbar.
Ciśnienie względne i bezwzględne
Istnieją dwa sposoby podawania ciśnienia:
• ciśnienie względne - względem ciśnienia atmosferycznego i mianem jego jest bar(g) lub inaczej barg
• ciśnienie bezwzględne (absolutne) – względem próżni i mianem jego jest bar (abs) lub inaczej bar (a)
Jeżeli jesteśmy przy instalacji sprężonego powietrza i widać zamontowany manometr, to wskazuje on ciśnienie manometryczne względem ciśnienia atmosferycznego. Wskazanie 0 oznacza 1 bar ciśnienia bezwzględnego. Wskazanie 5 bar oznacza ciśnienie względne 5 bar czyli 6 bar ciśnienia absolutnego.
Jeżeli jest to instalacja próżniowa i zamontowany jest na niej wakuometr (próżniomierz) to wskazuje on ciśnienie względne. Wskazanie 0 oznacza 1 bar ciśnienia bezwzględnego. Wskazanie -0,6 oznacza 0,4 bar ciśnienia absolutnego.
Innym przykładem jest mikroprocesorowy sterownik z elektronicznym wyświetlaczem, do którego podłączony jest przetwornik ciśnienia wskazujący ciśnienie bezwzględne w kolektorze.
Dodatkowym sposobem określania poziomu próżni jest określenie procentowe. Zakłada się, że przy ciśnieniu atmosferycznym poziom próżni wynosi 0%. Przy całkowitej próżni poziom wynosi 100%. We wcześniej podanym przykładzie z wakuometrem poziom próżni wyniósłby 60%.
Należy pamiętać, że im wyższa próżnia tym niższa ciśnienie bezwzględne.
Poziomy próżni
Próżnię można podzielić na różne poziomy charakteryzujące się ciśnieniem bezwzględnym oraz towarzyszącą mu liczbą cząsteczek znajdujących się w jednostce objętości oraz średniej drodze swobodnej cząsteczek, czyli drodze cząsteczki do momentu zderzenia jej z następną cząsteczką.
• Ciśnienie atmosferyczne – 1013,25 mbar (abs)
• Próżnia niska – do 1 mbar (abs)
• Próżnia średnia – od 1 do 10 -3 mbar (abs)
• Próżnia wysoka (HV) – od 10 -3 do 10 -7 mbar (abs)
• Próżnia bardzo wysoka (UHV) – od 10 -7 do 10 -12 mbar (abs)
• Próżnia ekstremalnie wysoka (XHV) – od 10 -12 do 10 -14 mbar (abs)
• Próżnia absolutna – 0 mbar (abs)
W zależności od poziomu próżni jaką należy wytworzyć dobiera się odpowiednie pompy próżniowe i tak stworzona klasyfikacja ułatwia ich dobór. Należy jednak mieć świadomość, że nie każda pompa próżniowa jest w stanie osiągnąć każdy poziom próżni.
Zastosowanie w zależności od poziomu próżni
Próżnia stosowana jest powszechnie w przemyśle jako system usprawniający pracę, podwyższający jakość produktu finalnego, albo zwiększający bezpieczeństwo. Niektóre efekty albo procesy nie są do osiągnięcia bez zastosowania próżni.
• Próżnia niska – podstawowe aplikacje przemysłowe, takie jak odpylanie, czyszczenie, odgazowywanie cieczy, przemieszczanie przedmiotów itp.
• Próżnia średnia – produkcja pojemników szklanych, obróbka cieplna powierzchni, drukarnie, przetwórstwo tworzyw sztucznych lub gumy, przetwórstwo spożywcze, pakowanie żywności, przemysł farmaceutyczny
• Próżnia wysoka – produkcja lamp elektronowych, przemysł przewodnikowy, napylanie metalu na powierzchnię
Pompy próżniowe
Pompy próżniowe, które mamy w ofercie różnią się konstrukcją i osiąganymi parametrami:
• dmuchawy promieniowe (wprawdzie nazwa mówi, że nie są to pompy próżniowe, ale uzyskują ciśnienie niższe od ciśnienia atmosferycznego)
• dmuchawy bocznokanałowe (wprawdzie nazwa mówi, że nie są to pompy próżniowe, ale uzyskują ciśnienie niższe od ciśnienia atmosferycznego)
• pompy próżniowe z pierścieniem cieczowym
• pompy próżniowe łopatkowe suche
• pompy próżniowe łopatkowe olejowe
• pompy próżniowe krzywkowe / lobowe / Rootsa
• pompy próżniowe kłowe
• pompy próżniowe śrubowe
Więcej o pompach próżniowych, zasadzie działania, dostępnych rodzajach i zastosowaniu próżni dowiesz się z dedykowanej strony.
Na poniższej grafice widać zbiorcze zestawienie dmuchaw i pomp próżniowych firmy Elmo Rietschle i osiągane przez nie próżnie końcowe.
Oprócz wymienionych pomp próżniowych istnieją jeszcze inne konstrukcje takie jak pompy tłokowe, pompy membranowe, pompy molekularne, pompy adsorpcyjne albo dyfuzyjne i kondensacyjne, ale jako że nie mamy ich w ofercie nie będziemy poświęcać im teraz uwagi.
Wydajność pompy próżniowej
Pompy próżniowe przy granicy swojej osiąganej próżni końcowej mają niską wydajność. Aby temu zapobiegać stosuje się systemy pomp, składające się ze smarowanych olejem rotacyjnych pomp łopatkowych lub śrubowych, pełniących rolę pompy próżniowej wstępnej w połączeniu z pompami próżniowymi rotacyjnymi Rootsa, pełniącymi rolę pompy wspomagającej tzw. boostera.
Dzięki temu, system próżniowy osiąga wysoką próżnię końcową i jednocześnie dużą wydajność.
Na wykresie widać wydajność przykładowej pompy łopatkowej smarowanej olejowo (1). Wykres jest teoretyczny stworzony na podstawie naszej wiedzy. Jej normatywna wydajność wynosi ok. 1000 m³/godz. W obszarze (3) przy ciśnieniu ok. 2-3 mbar (abs) wydajność pompy zaczyna bardzo spadać. Gdy pompa współpracuje z pompą Rootsa w punkcie (4) przy ciśnieniu ok. 50 mbar (abs) następuje jej załączenie i zwiększenie wydajności całego systemu, aż do osiągnięcia próżni na poziomie 0,5 mbar (abs). Potem rozpoczyna się spadek wydajności, ale wydajność 1000 m3/godz jest dostępna w zakresie do 0,1 mbar (abs), co nie było możliwe w przypadku samej pompy łopatkowej.
Oczywiście rzeczywiste przebiegi takiej charakterystyki będą różnić się w zależności od producenta, rodzaju pompy do wytworzenia próżni wstępnej i jej charakterystyki oraz dobranej pompy Roots'a.
Na poniższym wykresie można zobaczyć rzeczywistą charakterystykę dla 4 zestawów firmy Elmo Rietschle złożonych z pompy do próżni wstępnej (w tym przypadku łopatkowej smarowanej olejowo serii VC o wydajności 100, 300, 700 i 1100 m³/godz) i pompy Roots'a (o wydajności 500, 1000 i 2500 m³/godz).
Na zdjęciu widać dwa systemy łopatkowych pomp próżniowych Elmo Rietschle smarowanych olejem i pomp próżniowych krzywkowych Rootsa. W takich systemach pompa Rootsa jest montowana bezpośrednio na pompie wytwarzającej próżnię wstępną (niską), ale w przypadku dużego ciężaru pompy Rootsa dla bezpieczeństwa eksploatacji stosuje się ramy montażowe.
Rozwiązania takie stosowane są głównie w aplikacjach, gdzie występuje konieczność bardzo szybkiego odgazowywania systemu np. procesy chemiczne, produkcja szkła, produkcja ceramiki itp.
Dobór pompy próżniowej
Dobór pompy próżniowej wymaga znajomości środowiska, w którym będzie pracowała i o tym możesz nam opowiedzieć. Wymaga również znajomości charakterystyki pompy i kilku innych szczegółów technicznych. W tym przypadku to my mamy wiedzę. Warto skontaktować się z nami, by uzyskać rzetelną poradę i dobrać odpowiednią pompę próżniową do Twojego systemu.
Dzięki temu będziesz mógł cieszyć się długotrwałą, bezpieczną i energooszczędną eksploatacją.