Vákuumtechnika Elővákuum előállítása és mérése. Csonka István Frigyes Dávid

Átírás

1 Vákuumtechnika Elővákuum előállítása és mérése Csonka István Frigyes Dávid ELTE

2 Elővákuum 1000 mbar mbar 1000 mbar - 1 mbar: viszkózus (általában lamináris) áramlás, hővezetés és viszkozitás független a nyomástól. Szabad úthossz 7*10-8 m - 7*10-5 m. 1 mbar mbar: átmeneti tartomány a nagyvákuum felé. Hővezetés és viszkozitás függ a nyomástól (gáztól is!). Jelentőssé válhat a szívásiránnyal való szembeáramlás (backstream). Szabad úthossz 7*10-5 m - 7*10-2 m. 2

3 Főbb elővákuum-szivattyú típusok Térkiszorításos szivattyúk Folyadékgyűrűs szivattyúk Olajos szivattyúk (rotary vane, rotary piston) Olajmentes szivattyúk (dugattyús, membrán, Roots, scroll) Egyéb szivattyúk Szorpciós szivattyú Bernoulli-elv és impulzus-átadás alapján működő szivattyúk (ejektor, vízlég, Venturi) 3

4 Szivattyúk alkalmazási tartománya 4

5 Folyadékgyűrűs szivattyú Egyszerű, strapabíró és nagy kapacitású szerkezet Jól használható nagymennyiségű kondenzálható gáz (pl. vízgőz) elszívására Vízzel 20 torrig (15 fokos víz), spec.olajjal 0.1 torrig), nyomás 3 bar-ig Folyadékot hűteni kell: folyamatos pótlás, vagy hűtő Kavitációra ügyelni (visszavezetett gázzal korlátozni alulról a nyomást) Előkondenzálóval növelhető a kapacitás Roots elővákuumának is jó 5

6 Folyadékgyűrűs szivattyú 6

7 Rotary vane pump (forgólapátos) Az igásló Szívássebesség m 3 /óra Végvákuum 0.1 mbar (egyfokozatú) mbar (kétfokozatú) Régebben ékszíj-hajtás (feszesség!), ma direkthajtás 10000* sűrítés 7

8 Rotary vane pump (forgólapátos) 8

9 Rotary vane pump (forgólapátos) 9

10 Rotary vane pump (forgólapátos) 10

11 Rotary vane pump (forgólapátos) 11

12 Rotary vane pump (forgólapátos) 12

13 Rotary vane pump (forgólapátos) 13

14 Rotary vane pump (forgólapátos) Tudnivalók dióhéjban Molekulaszitás csapdát alkalmazni, azt rendszeresen kikályházni Folyékony N 2 csapdát tenni elé Kikapcsolás után fellevegőzni (olaj visszaszívás) Olajat ellenőrizni (szín, szag, állag), gyanú esetén cserélni Szilárd szennyeződésektől óvni Kevés víz vagy oldószer a gázballaszttal eltávolítható (nem elfelejteni elzárni) Háromfázisú motor forgásirányát ellenőrizni Kipufogást nem gátolni, alkalmasint elszívóba vezetni 14

15 Rotary piston pump Nagyteljesítményű, megbízható (több tíz éves élettartam) 0.1 mm rések, alacsony fordulatszám ( /min), viszkózus pumpafolyadék por álló Szívássebesség m 3 /óra Végvákuum 0.01 mbar Vízhűtés Ipari méretek 15

16 Rotary piston pump 16

17 Dugattyús szivattyúk Drabec (Ganz) Italvacuum - Saurus Átfolyó olajozással (min. 10 g/óra, FDA-elfogadott olaj, élelmiszer- és gyógyszeripar), jó por és korrozió állóság (pl. sósavas sók szárítása) Egy (pár mbar) vagy két fokozat (pár tized mbar) Roots előszívásához (század mbar) Ipari méretek (pár száz m 3 /h) Kb. gőzgép szerkezet és strapabírás 17

18 Dugattyús szivattyúk 1 Barrel - 1st stage 4 Rod 7 Oil-feeder for the injection of non-reusable oil 2 Barrel - 2nd stage 5 Discharge valves 8 Discharge 3 Piston 6 Oil-feeder for recirculated oil 9 Intake 18

19 Olajmentes szivattyúk Nagy tisztasági követelmények esetén, olajmentes nagyvákuumszivattyúk előszívására vízlégszivattyú kiváltására Mivel nélkülözik az olaj hűtését, ezért általában több, kisebb sűrítésű (20-100) fokozattal érik el a megfelelő végvákuumot 19

20 Olajmentes szivattyúk Dugattyús (Varian) Teflon, illetve fluorozott súrlódó felületek (önkenés) Változó sűrítés a nyomás függvényében 20

21 Olajmentes szivattyúk Membrán Sok fokozat (3-4) Kémiai kivitelben fluorozott műanyagokból 21

22 Olajmentes szivattyúk Blower (Roots) Atmoszférán nem működik - előszívás kell neki (pl. membrán, folyadékgyűrűs) Melegedésre igen ügyelni: néhány mikronos rések a forgó felületek között 22

23 Olajmentes szivattyúk Scroll pump Spirális fémlemezek excentrikusan mozgatva, nem érintkeznek, nem kell kenés Homloktömítés kopik, cserélni kell, kis port termel Kis teljesítmény igény. Pl. 9m 3 /h, 10-2 mbar: 270 watt 23

24 Szorpciós szivattyú 24

25 Szorpciós szivattyú Olajmentes (ultra)nagyvákuum-rendszerek kényelmes elővákuum szivattyúja Korlátozott kapacitás (pár mbar*liter): több készlet, amíg az egyik regenerálódik, addig a másik működik. Venturi-előelőszívás He, Ne, H 2 nem szívódik, minden más igen (kifagyás vagy adszorpció), felengedéskor robbanásveszély lehetséges (szerves + O 2 ) Folyékony N 2 szintre ügyelni Regeneráláskor túlnyomás veszély Mérgező dolgokat elszívóba Házilag is gyártható. Aktív szén ne, oxigénnel veszélyes. 4-es pórusú molekulaszitába N 2 nem fér be, ezért 5-ös/13-as Hővezetés! 10 perc is lehet, mire beindul Ha már nem szív (10 s-min), elzárni-regenerálni (visszaáramlás) 5-6 ciklusonként 250 fokon kikályházni a vizet (túlnyomásra ügyelni!) 25

26 Gőzsugár-ejektor Preparatív célokra: szűrés, bepárlás, szárítás, desztilláció Végvákuum: pár mbar Érzékeny a megfelelő paraméterekre. Túlterhelésre hirtelen romlik a vákuum. Túl sok gőz nem fér be a diffuzorba. A kondenzátor folyadék hőmérséklete a teljesítményt befolyásolja, nem a végvákuumot. (gőzmozdony: légűrfék, szélfrissítés ) 26

27 Gőzsugár-ejektor 2 gőzsugár és 1 vízsugár fokozat 1 mbar 25 kg/h gőz, 3,4 m 3 /h víz 27

28 Venturi szivattyú Pár tíz mbar végnyomás Pl. szorpciós szivattyú előszívására Inkább inert gázzal, mint levegővel 28

29 Vízlégszivattyú (water jet aspiratory) Preparatív célokra: szűrés, bepárlás, szárítás, desztilláció Végvákuum: víz aktuális gőznyomása (pár tíz mbar) Vízgőzmentesítés szárítószerrel (szilikagél) Kihalófélben: nagy vízfogyasztás, vízszennyezés (oldószer gőzök), víznyomásra érzékeny működés Van vízvisszaforgatós 29

30 Főbb elővákuum-mérő típusok F=A*p elven működők: mért érték nem függ a gáztól Direkt nyomásmérők (Toricelli, McLeod) Kalibrálandók (Bourdon, diafragma) Hővezetésen alapulók (Pirani, termopár) viszkozitás mérő Mért érték függ a gáztól (általában levegőre kalibrálva) nem lineáris a jelnyomás függés Általában meggondolni: amit mérünk, és ami a rendszerben van (konduktancia, kondenzáció, szennyeződés, hőmérséklet különbség stb.) 30

31 Vákuummérők alkalmazási tartománya 31

32 F=A*p Toricelli Elvi határ: Hg gőznyomása (0.001 mbar) Gyakorlati határ: leolvasás pontossága (kapilláris effektus, Hg szennyeződése, rezgések stb.) torr, de inkább csak 1 torr Folyamatosan használható, akár szabályzójel is levehető belőle Hg-szennyezés 32

33 F=A*p McLeod Gáztörvény: adott térfogatú gáz összenyomása, végtérfogat leolvasása (általában előre kalibrált skála) 10-6 mbar-ig! Kalibrálásra Nem folyamatos, sőt általában nem is gépesített Kondenzálódó gőzök nyomását nem méri Könnyen törik 33

34 F=A*p McLeod Kis forgathatóak kiválóak gyors ellenőrzésre mbar-ig 34

35 F=A*p McLeod 35

36 F=A*p Bourdon 1 mbar-ig nyomásra is jó (reduktorokon ilyen van) 36

37 F=A*p Membrán mbar-ig pontos, 10-5 mbar-ig alkalmazható, de csak 3-4 nagyságrend átfogás Nyomásra is jó Kapacitás-változás (Baratron), piezoelektromos effektus Stabil, kalibrálásra alkalmas (kalibrálás után :-) 37

38 Gázok hővezetése Szállított teljesítmény/w hősugárzás lineáris tartomány P~ρ~p P~λ~1/p p/mbar 38

39 Termopár Fűtött szál hőmérséklete, kalibrált skálával mbar-ig Elkoszolódhat, szál kiéghet Lassú Újabb típusok a konvekciót is kihasználják: atmoszféráig mér, sőt. 39

40 Pirani Leggyakoribb Gyors, mbar (+konvekcióval 2 bar) Fűtött szál ellenállása, illetve adott ellenálláson tartáshoz szükséges teljesítmény - (kompenzált) Weathstone-híd Elkoszolódhat, W-szál kiéghet 40

41 Viszkozitás mérő Nem a gázon belüli, hanem a felület-gáz közti impulzus átadást mérik *10-7 mbar: 1% Ősi típus: kvarcszál (hangvilla) rezgésének csillapodás Van korongos is Általában kalibrálási célra használják 41

42 Vákuum-szabályzás Legtöbb elektronikus vákuummérő szabályzásra is használható. Minimum egy adott nyomásértéknél kapcsoló relé. Pl. nagyvákuumszivattyú kapcsolása A vákuum nagyságának szabályzása: szelep ki-be kapcsolás, motor fordulatszám változtatása, Vacutron, gázáramlás-szabályzók Múzeum: Hg-zár, Kartéziusz-búvár 42