Conceptos básicos de vacío

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La evacuación de aire de un volumen cerrado crea un diferencial de presión entre el volumen y la atmósfera circundante. Si este volumen cerrado estuviera unido por la ventosa y la superficie de la pieza de trabajo, la presión atmosférica presionaría los dos objetos para unirlos. La cantidad de fuerza de sujeción depende del área de la superficie y del vacío que comparten los dos objetos. En los sistemas de vacío industriales, bomba aspiradora O un generador para eliminar el aire del sistema para crear una presión diferencial.

Debido a que es casi imposible eliminar todas las moléculas de aire del recipiente, no se puede lograr un vacío perfecto. Por supuesto, a medida que se extrae más aire, aumenta el diferencial de presión y aumenta la fuerza de vacío potencial.

El grado de vacío está determinado por la diferencia de presión entre el volumen evacuado y la atmósfera circundante. Se pueden utilizar varias unidades de medida. La mayoría se refiere a la altura de la columna de mercurio, generalmente pulgadas de mercurio (in.-Hg) o milímetros de mercurio (mm-Hg). La unidad métrica común para la medición del vacío es el milibar o mbar. Otras unidades de presión que a veces se usan para expresar el vacío incluyen unidades interrelacionadas como la presión atmosférica, torr y micras. Una atmósfera estándar equivale a 14,7 psi (29,92 pulg.-Hg). Cualquier parte de la atmósfera es un vacío parcial, equivalente a una presión manométrica negativa. Torr se define como 1/760 de la atmósfera y también se puede considerar como 1 mm-Hg, donde 760 mm-Hg equivalen a 29,92 pulgadas-Hg. Las micras son aún más pequeñas, definidas como 0,001 Torr. Sin embargo,

La presión atmosférica se mide con un barómetro. El barómetro consta de un tubo vertical al vacío con un extremo superior cerrado y un extremo inferior colocado en un recipiente de mercurio abierto a la atmósfera, Figura 1. La presión ejercida por la atmósfera actúa sobre las superficies expuestas del líquido para forzar el mercurio dentro del tubo. La presión atmosférica al nivel del mar soportará normalmente no más de 29,92 pulgadas de mercurio. Alto. Por lo tanto, el estándar para la presión atmosférica al nivel del mar es 29,92 in.-Hg, o 14,69 psia absolutos.

Los dos puntos de referencia básicos en todas estas mediciones son la presión atmosférica estándar y el vacío perfecto. A presión atmosférica, un valor de 0 in.-Hg equivale a 14,7 psia. En el punto de referencia opuesto, 0 psia, -un vacío perfecto (si se pudiera lograr)- tendría un valor igual al otro extremo de su rango, 29.92 in.-Hg. Sin embargo, calcular la fuerza de trabajo o el cambio de volumen en un sistema de vacío requiere la conversión a presión manométrica negativa (psig) o presión absoluta (psia).

En el cuadrante de la mayoría de los manómetros, el valor de la presión atmosférica es cero. Por lo tanto, la medida de vacío debe ser menor que cero. La presión manométrica negativa generalmente se define como la diferencia entre el vacío y la presión atmosférica para un sistema dado.

Medición de vacío

Varios tipos de manómetros miden el vacío. Los vacuómetros de tubo Bourdon son compactos y son los dispositivos más utilizados para monitorear el funcionamiento y el rendimiento de los sistemas de vacío. La medición se basa en la deformación de un tubo Bourdon elástico que se dobla cuando se aplica vacío al puerto del manómetro. Con las conexiones adecuadas, los manómetros de tubo de Bourdon compuesto pueden indicar tanto vacío como presión positiva.

La contraparte electrónica de un vacuómetro es un sensor. El vacío o la presión desvían el diafragma de metal elástico. Esta desviación altera las propiedades eléctricas de los circuitos interconectados para producir señales electrónicas que representan el grado de vacío.

El manómetro de tubo en U (Figura 2) indica la diferencia entre las dos presiones. En su forma más simple, un manómetro es un tubo transparente en forma de U lleno hasta la mitad con mercurio. Ambos extremos del tubo están expuestos a la presión atmosférica y el contenido de mercurio en cada rama es el mismo. Aplicar vacío a una pierna hace que el mercurio suba en esa pierna y baje en la otra. La diferencia de altura entre las dos etapas representa el grado de vacío. El manómetro puede medir directamente el vacío hasta 29,25 pulg.-Hg.

Los manómetros de presión absoluta muestran presiones por encima del vacío perfecto teórico. Tiene la misma forma de U que el manómetro, pero una pata del manómetro absoluto está sellada, Figura 3. Cuando el manómetro está estacionario, el mercurio llena esta pata sellada. Aplicar vacío a las patas sin sellar reducirá el contenido de mercurio en las patas selladas. El vacío se mide con una escala móvil cuyo punto cero está en el nivel de mercurio en la pata sin sellar. Por lo tanto, el medidor puede compensar los cambios en la presión atmosférica.

Sistema de vacío industrial

Las aspiradoras se dividen en tres gamas:

  • Áspero (o áspero), hasta 28 pulg.-Hg
  • Medio (o fino), hasta una micra,
  • alto, mayor a una micra.

Casi todos los sistemas de vacío industriales son toscos. De hecho, la mayoría de las aplicaciones de elevación y sujeción funcionan con un vacío de solo 12 a 18 pulgadas de mercurio. Esto se debe a que aumentar la fuerza de elevación o sujeción al aumentar el área de contacto entre la pieza de trabajo y la ventosa suele ser más económico que aplicar un vacío mayor y usar la misma área de contacto.

El vacío medio se utiliza para aplicaciones de procesos como destilación molecular, liofilización, desgasificación y operaciones de recubrimiento. El alto vacío se utiliza en instrumentos de laboratorio como microscopios electrónicos, espectrómetros de masas y aceleradores de partículas.

Un sistema de vacío típico consta de una fuente de vacío, líneas de suministro, accesorios y varias válvulas de control, interruptores, filtros y dispositivos de protección. La prevención de fugas es especialmente importante para los sistemas de vacío porque incluso las fugas más pequeñas pueden reducir en gran medida el rendimiento y la eficiencia. Si utiliza tubos de plástico, como suele ser el caso, asegúrese de que estén diseñados para servicio de vacío. De lo contrario, las paredes del tubo pueden colapsar bajo el vacío y bloquear el flujo. Además, la línea de vacío debe ser lo más corta y estrecha posible para limitar la cantidad de aire que debe evacuarse.

Una consideración de diseño importante para las aplicaciones de sujeción de piezas es usar solo la bomba de vacío para lograr el vacío requerido. Una vez que la pieza de trabajo está en contacto con la ventosa y se logra el vacío deseado, cerrar la válvula normalmente cerrada mantendrá el vacío indefinidamente, siempre que no se produzcan fugas. Mantener el vacío de esta manera no consume energía y evita tener que operar la bomba de vacío continuamente.

La empresa también ofrece equipos patentados, como ventosas con válvulas integradas y válvulas para terminar el flujo de las ventosas que presentan fugas excesivas. La válvula está diseñada para evitar cierres de falsas alarmas al sujetar piezas de trabajo porosas, como cartón, mientras evita que una fuga en una ventosa reduzca el nivel de vacío de una ventosa adyacente.

Selección de bomba de vacío

El primer paso importante para seleccionar la bomba de vacío correcta es comparar los requisitos de vacío de la aplicación con la clasificación de vacío máxima de la bomba comercial. En el nivel bajo, hay una variedad de bombas para elegir. Pero a medida que aumenta el nivel de vacío, las opciones se reducen y, a veces, puede haber solo un tipo de bomba disponible.

Para el cálculo de las necesidades de vacío del sistema, se consideran todos los equipos de trabajo a accionar. El vacío de trabajo del dispositivo se puede determinar mediante cálculos basados ​​en fórmulas manuales, datos teóricos, información de catálogo, curvas de rendimiento o pruebas realizadas con sistemas prototipo. Una vez que conozca el nivel de vacío requerido, puede comenzar a buscar una bomba que cumpla con los requisitos de su aplicación.

La clasificación máxima de vacío de una bomba generalmente se expresa como un ciclo de trabajo continuo o intermitente y está disponible con el fabricante de la bomba. Dado que el vacío teórico máximo al nivel del mar es de 29,92 pulg.-Hg, la capacidad real de la bomba se basa en este valor teórico y se compara con él. Según el diseño de la bomba, el límite de vacío oscila entre 28 y 29,5 in.-Hg, o aproximadamente el 93 % o el 98 % del máximo teórico. Para algunos tipos de bombas, la clasificación máxima de vacío se basará en este límite práctico. Para otros con problemas térmicos, la clasificación máxima de vacío también puede tener en cuenta el aumento de temperatura permitido.

Bomba de vacío mecánica

Se puede pensar en una bomba de vacío tradicional como un compresor con una entrada por debajo de la presión atmosférica y un escape a presión atmosférica. El compresor y la bomba de vacío tienen el mismo mecanismo de bombeo. Una bomba de vacío extrae aire de un recipiente hermético y lo descarga a la atmósfera a través de una tubería simple, que es exactamente lo contrario de lo que hace un compresor. Aunque estas máquinas comparten muchas similitudes, existen dos diferencias significativas entre la compresión y la succión al vacío que deben tenerse en cuenta en el diseño del sistema. El cambio de presión máximo producido por la bomba de vacío es limitado;Nunca estará por encima de la presión atmosférica. Además, a medida que aumenta el nivel de vacío, la cantidad de aire que pasa a través de la bomba disminuye continuamente. Por lo tanto, la propia bomba debe finalmente absorber casi todo el calor generado.

Las bombas de vacío mecánicas generalmente se clasifican como de desplazamiento positivo o de desplazamiento no positivo (dinámicas). Las bombas de desplazamiento positivo aspiran un volumen de aire relativamente constante a pesar de cualquier cambio en el vacío y pueden generar vacíos relativamente altos. Los principales tipos de bombas de desplazamiento positivo incluyen: pistón alternativo y oscilante, paleta giratoria, diafragma, rotor de paleta y diseños de tornillo giratorio.

Las bombas de desplazamiento no positivo utilizan cambios de energía cinética para sacar el aire de un sistema cerrado. Proporcionan tasas de flujo muy altas pero no pueden lograr un alto vacío. Las bombas primarias sin desplazamiento son centrífugas multietapa, unidades de flujo axial y sopladores regenerativos (o periféricos). De estos, solo el soplador es una opción económica para sistemas de vacío independientes o dedicados.

Al elegir una bomba de vacío mecánica, el factor temperatura es muy importante porque el calor externo o interno alto puede afectar en gran medida el rendimiento y la vida útil de la bomba. La temperatura interna de la bomba es importante porque a medida que aumenta el nivel de vacío, se usa menos aire para llevarse el calor generado, por lo que la bomba debe absorber más calor. Las aplicaciones de alto vacío a menudo requieren bombas de servicio pesado con sistemas de enfriamiento. Sin embargo, las bombas de trabajo liviano pueden operar al máximo vacío por períodos cortos de tiempo si hay suficiente tiempo de enfriamiento entre ciclos. Como todas las fuentes de calor actúan sobre la bomba, la temperatura general de la bomba aumenta: el calor generado internamente más el calor generado por las fugas internas, la compresión, la fricción y la temperatura ambiente externa.

bomba de vacío venturi

Muchas máquinas que requieren vacío también usan aire comprimido. Si el vacío solo se necesita de manera intermitente, el vacío se puede crear usando aire comprimido ya disponible a través de un dispositivo llamado generador de vacío, también conocido como eyector de vacío o bomba de vacío. Además, el aire comprimido también se puede usar junto con la ventosa para acelerar la liberación de la pieza de trabajo creando una ráfaga de aire.

El generador de vacío funciona según el principio Venturi, Figura 4. El aire comprimido filtrado y sin lubricar entra por la entrada A. Los orificios de difusión (boquillas) B aumentan la velocidad del flujo de gas, lo que reduce su presión y crea un vacío en el canal C. El flujo de aire se descarga a la atmósfera a través del silenciador D.

Los generadores de vacío tienen varias ventajas. Son pequeños y livianos, por lo que a menudo se pueden instalar en el punto de uso o cerca de él. Son económicos y, dado que no tienen partes móviles, no requieren el mantenimiento asociado con las bombas de vacío mecánicas. No requieren una fuente de energía porque crean un vacío al conectarse a un sistema de aire comprimido existente. Sin embargo, si se adapta a una máquina, es posible que se deba aumentar la capacidad del sistema neumático existente. La generación de calor suele ser el factor limitante para las bombas de vacío mecánicas, y los generadores de vacío son una preocupación menor.

Las bombas mecánicas se especifican con mayor frecuencia para suministrar vacío de forma continua a las máquinas. Pero muchas de estas máquinas en realidad solo usan el vacío de manera intermitente en muchos lugares diferentes. En este caso, un generador de vacío puede proporcionar una alternativa práctica proporcionando vacío de forma intermitente en cada fuente en lugar de hacerlo de forma continua para toda la máquina.

El generador de vacío se puede controlar simplemente iniciando o deteniendo el flujo de aire comprimido a la boquilla. Los generadores de vacío se han utilizado durante décadas, pero las mejoras recientes han resultado en diseños de boquillas que ofrecen una mayor eficiencia operativa.

Otro desarrollo que utilizó venturis fue el generador de vacío multietapa. En esta configuración, se conectan en serie dos o más generadores de vacío para generar un mayor caudal de vacío sin utilizar más aire comprimido. Esencialmente, el gas de escape de la primera boquilla (que determina el vacío máximo alcanzable) se usa como entrada para la segunda etapa. El escape de la segunda etapa se usa luego como entrada para la tercera etapa. Esto significa que los generadores de etapas múltiples vaciarán un volumen dado más rápido que los generadores de una etapa, pero todos terminarán tirando al mismo vacío.

La elección de un generador de vacío depende de la fuerza de elevación necesaria y de la cantidad de aire que debe evacuarse. La fuerza de elevación depende de cuánto vacío puede generar el generador, que a su vez depende de la presión de aire suministrada, y del área efectiva de la ventosa. En la mayoría de las aplicaciones, es importante que el generador pueda generar el vacío requerido en el menor tiempo posible para minimizar el consumo de aire.

¿Cuánto tiempo se tarda en alcanzar el vacío máximo?

Al elegir entre varias bombas de vacío, un factor importante puede ser el tiempo que tarda cada bomba en alcanzar el nivel de vacío deseado.

Generalmente, las bombas de pequeño y gran volumen con la misma capacidad máxima de vacío producirán el mismo vacío. Las bombas más pequeñas solo tardan más. El tiempo depende de la capacidad de la bomba y del tamaño del sistema. Pero simplemente dividir el volumen del sistema por la capacidad de la bomba no dará la respuesta correcta.

Durante la evacuación, cuanto mayor sea el vacío, menos moléculas de aire se retienen en el espacio cerrado. Por lo tanto, se pueden eliminar menos moléculas por carrera de bomba. Por lo tanto, existe una relación logarítmica al acercarse a un vacío perfecto. El tiempo requerido para llevar el sistema a un cierto nivel de vacío se puede aproximar utilizando la siguiente fórmula:
t = (V×n) ÷ 4q,
en:
t es el tiempo, min
V es el volumen del sistema, pies3
q es flujo, cfm,
n es la constante aplicada.

Para aplicaciones exactas, n se puede determinar utilizando el logaritmo natural. Para la mayoría de los usos, lo siguiente debería ser suficiente:
n = 1 para vacío a 15 pulg.-Hg
n = 2 para vacío 15 pero ≤ 22,5 pulg.-Hg.,
n = 3 para vacío ≥ 22,5 y hasta 26 in.-Hg.

Otra complicación: la capacidad de la bomba en la ecuación no es la capacidad abierta (capacidad a presión atmosférica) que los fabricantes suelen enumerar. En cambio, representa la capacidad promedio de la bomba cuando la presión del sistema cae al nivel de vacío final. Este valor no está fácilmente disponible, pero se puede aproximar a partir de la curva de rendimiento de la bomba del fabricante. Estas curvas trazan la capacidad de la bomba a diferentes niveles de vacío.

Para conectar estas curvas a la ecuación, simplemente reemplace los valores en la ecuación con las lecturas de capacidad de la bomba en las curvas, en incrementos de 5″Hg, incrementos de 5″Hg, hasta alcanzar el nivel deseado. Luego sume estos tiempos.

Finalmente, tenga en cuenta que este tiempo de inactividad se basa en que todos los componentes del sistema funcionen a niveles óptimos. Se recomienda un margen de tiempo adicional del 25% para compensar las ineficiencias y fugas del sistema.


Vacío de gran altitud

La presión atmosférica determina la fuerza de vacío máxima que se puede lograr. La presión atmosférica estándar al nivel del mar es de 29,92 pulg.-Hg. Pero, ¿qué sucede a una milla sobre el nivel del mar?El vacío máximo que se puede lograr sobre el nivel del mar será inferior a 29,92 in-Hg. Esta fuerza estará limitada por la presión atmosférica ambiental. Las bombas de vacío tienen clasificaciones de vacío máximas basadas en las condiciones del nivel del mar y deben volver a clasificarse para operar a altitudes más altas.

Primero, determine la presión atmosférica local. Una regla general es que por cada 1000 pies de elevación, la presión atmosférica cae 1 pulgada de Hg. Utilizando números redondeados, la presión atmosférica es de aproximadamente 25 pulgadas de Hg para una ciudad a 5000 pies sobre el nivel del mar.

Para ajustar la clasificación de la bomba, trate la clasificación como un porcentaje de la presión atmosférica al nivel del mar. Si la bomba tiene una capacidad nominal de 25 pulg.-Hg, puede alcanzar el 83,4 % del vacío perfecto a nivel del mar (25 29,92). A 5000 pies, la misma bomba puede lograr un vacío de 83,4% de 25 pulgadas de mercurio o 20,85 pulgadas de mercurio.


presión y vacío
Aspirarporcentaje pulgada
mercurio
(pulg.-Hg)
presión
10 3.0 -1,47 psi -0,10 bares
15 4.5 -2,21 psi -0,15 bares
20 6.0 -2,94 psi -0,20 bares
25 7.5 -3,68 psi -0,25 bares
30 9.0 -4,41 psi -0,30 bares
35 10.5 -5,15 psi -0,35 bares
40 12.0 -5,88 psi -0,40 bares
45 13.5 -6,62 psi -0,45 bares
50 15.0 -7,35 psi -0,50 bares
55 16.5 -8,09 psi -0,55 bares
60 18.0 -8,82 psi -0,60 bares
sesenta y cinco 19.5 -9,56 psi -0,65 bares
70 21.0 -10,29 psi -0,70 bares
75 22.5 -11,03 psi -0,75 bares
80 24.0 -11,76 psi -0,80 bares
85 25.5 -12,50 psi -0,85 bares
90 27,0 -13,23 psi -0,90 bares
95 28.5 -13,97 psi -0,95 bares
100 30.0 -14,70 psi -1,01 bares

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