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Alcuni processi chimici accadono in ambiente rarefatto (vuoto) e non sotto la pressione atmosferica oppure in sovrapressione. Per creare il vuoto si usano le pompe per vuoto, il funzionamento delle quali si basa su uno dei due principi di ottenimento del vuoto. Quindi, i due principi di ottenimento del vuoto sono i seguenti:
Il principio di evacuazione del gas dal recipiente si applica sulle pompe che trasferiscono il gas. Tale trasferimento può essere realizzato periodicamente, per porzioni, o continuamente. Per rimuovere una porzione di gas è necessario isolare, all’interno della camera di lavoro, un certo volume di gas per trasportarlo, successivamente, dalla bocchetta di aspirazione verso quella di mandata. Nel corso di tale trasferimento la porzione di gas si comprime fino ad un livello di pressione superiore rispetto alla pressione della bocchetta di mandata della pompa. Quindi, la porzione del gas isolato viene respinta dalla pompa.
Le pompe per vuoto, che spostano il gas per singole porzioni nel corso di cambiamento periodico del volume e della posizione della camera di lavoro, si definiscono pompe volumetriche per vuoto. Questo tipo di pompe può essere solo meccanico, in quanto la loro azione di evacuazione per pompaggio si basa sul trasferimento del gas in seguito al movimento meccanico degli organi di lavoro della pompa.
L’evacuazione ininterrotta delle molecole neutre del gas viene effettuata dal corpo che coinvolge, continuamente, e sposta il gas. Tale corpo può essere rappresentato da una superficie solida, che si muove continuamente, o da un getto (del fluido, vapore, gas). Le molecole, all’atto di collisione con il corpo in movimento, nonchè a seguito dell’attrito interno acquisiscono la direzione di movimento prioritaria. Ciò, mentre le pompe meccaniche che evacuano il gas in questo modo si chiamano pompe molecolari, poichè esercitano l’effetto su singole molecole.
Le pompe per vuoto, che attuano il principio di fissazione del gas nei limiti del sistema del vuoto, si chiamano pompe ad assorbimento. In tali pompe il gas viene catturato per mezzo di getter (sostanza che si usa per l’assorbimento chimico di gas nei sistemi del vuoto). Inoltre, il gas può assorbire oppure condensare su superfici raffreddate.
Per la creazione del vuoto basso (da 101 300 Pa a 133,3 Pa) si usano le seguenti macchine:
Per mezzo di bocchetta di aspirazione le dette apparecchiature vengono collegate al recipiente, dal quale si effettua il pompaggio, oppure alla tubazione.
Per creare il vuoto medio (da 133,3 Pa a 0,1333 Pa) si usano:
Ci sono anche altri tipi del vuoto: l’alto vuoto (da 0,1 Pa a 10-5 Pa) e il vuoto ultra alto (a partire da 10-5 Pa).
Per evacuare il gas per pompaggio da serbatoi di grosse dimensioni vengono usate:
Considerando il livello attuale della tecnica la creazione del vuoto non risulta compito difficile. In tale relazione, le macchine per vuoto sono richieste, attualmente, nei più svariati settori industriali. Le macchine per vuoto di tipo industriale si suddividono in pompe per vuoto, macchine per vuoto e impianti per vuoto. Le pompe per vuoto sono note anche come “impianti di evacuazione per pompaggio”, in quanto queste attrezzature si propongono per la rimozione di aria, gas e miscele di gas e vapori.
I due parametri principali della pompa per vuoto sono:
La velocità di evacuazione per pompaggio (S) viene misurata in litri al secondo e mostra la quantità del fluido pompato in un’unità di tempo. La grandezza del vuoto, invece, è caratterizzata dalla pressione residua nel recipiente con atmosfera rarefatta. Le unità di misura di tale grandezza sono: Pa, kPa, millimetri della colonna di mercurio oppure % della pressione atmosferica). Le pompe per vuoto si suddividono nelle seguenti tipologie:
La corrispondenza di una pompa per vuoto alle condizioni, nelle quali dovrà funzionare, viene stimata in base ai seguenti parametri:
Il principio di funzionamento delle pompe dipende da come scorre il gas, e cioè dal valore di sua rarefazione.
Durante il pompaggio iniziale del gas il fluido si muove ad alta velocità ed è caratterizzato da intensi vortici (il gas scorre in regime turbolento). Il calo di pressione omogeneizza i vortici, e il gas comincia a scorrere per inerzia, in quanto dipende dall’inerzia dell’atmosfera gassosa. Qualora, successivamente, si verificasse una riduzione della verocità di scorrimento del gas, il regime diveterebbe quello viscosimetrico.
Nei casi in cui il processo di scorrimento del fluido gassoso può essere caratterizzato come quello viscosimetrico, gli strati interni del flusso si spostano intensamente, a differenza dagli strati che si trovano vicino alle pareti delle pompe (che, praticamente, non si muovono). Infatti, nel centro del flusso del gas le particelle si comportano molto attivamente, mentre il tipo di spostamento del flusso è determinato dal grado di viscosità del gas. Con i valori di pressione bassi le molecole si muovono liberamente e, praticamente, non interagiscono tra di loro. Con la perdita dell’attrito interno il flusso comincia a spostarsi in regime molecolare.
La macchina di pompaggio in esame potrebbe far parte di una delle tre tipologie di impianti: pompa per alto vuoto, sistema booster e impianti di prevuoto (in conformità con il campo di pressione, nella quale la pompa opera con la resa maggiore). Tali pompe trovano ampia applicazione nell’industria metallurgica e siderurgica. In base al principio di funzionamento si suddividono in due gruppi:
Per prevenire le fuoruscite di gas attraverso i giochi dei componenti, che entrano in contatto, dei sistemi di pompaggio per vuoto si usa l’olio per pompe per vuoto che chiude i giochi e funge da lubrificante. In tal modo, le pompe meccaniche, nelle quali l’olio si usa in qualità di addensatore e lubrificante, sono sistemi ad olio. Invece, le pompe che non usano olio si chiamano sistemi a secco.
Le pompe per vuoto rimuovono i gas, i vapori e l'aria dai volumi a tenuta stagna della camera di lavoro. Man mano che i gas, i vapori e l’aria vengono allontanati, il volume della cavità cambia, mentre le molecole del fluido pompato si ridistribuiscono nella direzione desiderata. Il principio di funzionamento delle pompe per vuoto dipende dal tipo della macchina.
Il grosso dei sistemi di pompaggio per vuoto opera in base al principio di espulsione, come pure le pompe volumetriche (ad eccezione delle pompe ad olio e vapore e dei sistemi ad eiezione di vapore). La grandezza del vuoto ottenuto dipende, direttamente, dalla qualità della tenuta stagna dello spazio operativo che viene creato dagli organi di lavoro della pompa: lamelle, valvole a cassetto, giranti insieme al fluido. Il funzionamento di una pompa per vuoto deve garantire la realizzazione di due condizioni principali, e cioè ridurre il livello di pressione nello spazio chiuso fino al valore Pint.min per mezzo di eliminazione dell’ambiente gassoso dallo spazio (volume) chiuso ed effettuare tale azione in un dato intervallo di tempo. Qualora una pompa garantisse la presa di ambiente gassoso ma non riuscisse a ridurre la pressione fino al livello necessario, si userebbe una pompa di prevuoto per l’ulteriore ridimensionamento della pressione dell’ambiente gassoso.
Ogni singolo gruppo di sistemi di pompaggio per vuoto ha i suoi vantaggi, distinguendosi per le caratteristiche costruttive, principio di funzionamento, tipo di fluido di lavoro ed altri fattori. Così, le pompe ad anello liquido sono molto robuste e capaci di operare ad alte temperature e in condizioni molto dure, nonchè trasportare vapori fortemente inquinati. Le pompe rotative a lamelle possiedono un’alta resistenza al vapore acqueo, presentano dimensioni d'ingombro molto compatte, sono affidabili ed hanno un'alta velocità di pompaggio e un basso consumo energetico. Le pompe di Roots vantano un alto rendimento ed elevata velocità di funzionamento, mostrano un pompaggio regolare e sono note per l’assenza di olio nel gas compresso. Gli impianti di pompaggio a membrana e a spirale possono essere adoperati per il trattamento di fluidi aggressivi a condizione che tutti i componenti (per la pompa a membrana quest’ultima deve essere realizzata in caucciù) abbiano un rivestimento speciale. Tra i vantaggi delle pompe a vite si annovera quello di assenza di consumo d’olio e di condensatori, nonchè la loro efficienza energetica.
Le pompe per vuoto vengono utilizzate per la rimozione dell'aria e del vapore (miscele di gas e vapori), nonchè di gas non aggressivi non contenenti umidità o impurità meccaniche dai recipienti a chiusura ermetica degli impianti fissi posizionati in locali chiusi. Non solo, ma tali sistemi vengono adoperati per una corretta rarefazione preliminare nella composizione di impianti per alto vuoto.
Le pompe per vuoto trovano vasto impiego nei più svariati settori industriali, processi tecnologoci ed applicazioni tecniche:
Le pompe per vuoto si suddividono nelle seguenti tipologie principali:
Pompe ad anello liquido. Come fluido idraulico nella maggioranza dei casi viene adoperata l’acqua, ma a seconda delle caratteristiche del processo tecnologico può essere usato l’olio, alcuni tipi di acidi, l’alcali e l’antigelo. Il rotore dotato di palette respinge il fluido che acquisisce la forma di anello rispetto alle pareti dello statore.
Pompe rotative a lamelle (dotate di guarnizione ad olio). Le pompe di questo tipo hanno il corpo di forma cilindrica, all’interno del quale il rotore compie movimenti rotativi. Il rotore ha delle scanalature, dentro le quali le lamelle, a loro volta, eseguono un moto alternativo. Durante la rotazione del rotore le lamelle aderiscono alle pareti della camera, si coprono di pellicola d’olio e suddividono, in tal modo, il volume in settori. Il rotore gira, facendo aumentare il volume dei settori, e nel momento in cui essi si attaccano alla bocchetta di aspirazione, avviene l’aspirazione del gas. Quindi, il volume dei settori diminuisce, essi si staccano dalla bocchetta di aspirazione e il gas si comprime. Facendo certi movimenti i settori aderiscono alla bocchetta di mandata, il loro volume si riduce e il gas entra in questa bocchetta.
Per lubrificare i componenti che si toccano durante il processo operativo nella cavità viene alimentato olio.
Pompe rotative a lamelle senza olio. Queste macchine funzionano analogamente a quelle dotate di guarnizione ad olio ma non usano lubrificanti.
Pompe a due rotori. Queste macchine sono dotate di corpo, all’interno del quale i due rotori identici compiono un moto rotatorio, nonchè di due coperchi di testata, cuscinetti, paraolio, e di trasmissione di sincronizzazione. Il gas si rimuove e si comprime a seguito di riempimento della camera di lavoro che si sposta (senza comprimersi) dalla cavità di aspirazione alla cavità di mandata. La camera di lavoro comunica con la mandata facendo aumentare il livello di pressione nella camera per l’azione del gas che si trasferisce dalla cavità di mandata.
Pompe a membrana. In questi sistemi di pompaggio avviene la rimozione senza olio del gas a seguito di cambiamento della forma della membrana che si piega. Nelle pompe di piccole dimensioni di questo tipo (micropompe) l’azionamento della membrana si effettua per mezzo dello stelo del meccanismo biella-manovella, mentre nelle pompe grosse l’avviamento avviene in modo idraulico dalla pompa a pistone.
Pompe a spirale. Questi impianti di pompaggio vengono equipaggiati con valvole zavorra gas per trasportare i vapori ed ottenere un certo livello di pressione nell’aspirazione. In caso di formazione della condensa, in problema si risolve montando l’impianto di pompaggio in posizione verticale.
Pompe a vite. Queste macchine operano regolarmente senza lubrificanti. Il numero di giri del comando viene regolato dal convertitore di frequenza, il che fa sì che si riesca a risparmiare l’energia elettrica. Le pompe a vite funzionano senza pulsazioni producendo un flusso lineare. Pompe turbomolecolari. Il funzionamento di questo tipo di pompe si basa sul principio, secondo il quale il rotore comunica alle molecole del fluido trasportato una velocità aggiuntiva nella direzione del loro moto. Il rotore rappresenta un sistema a dischi e richiede un preciso bilanciamento. L’albero può essere posizionato verticalmente o orizzontalmente, mentre i meccanismi di appoggio, e cioè i cuscinetti e le gabbie richiedono un posizionamento corretto e preciso.
La pompa per vuoto a stantuffo tuffante è un tipo di pompa per vuoto ad azione meccanica che è capace di comprimere i gas fino alla pressione atmosferica. Tale macchina per la sua composizione è analoga al compressore a pistone a doppia azione con la differenza principale che la pompa per vuoto a stantuffo tuffante possiede un rapporto di compressione più alto.
A sinistra: stadio iniziale; 2 posizioni al centro: stadio intermedio; a destra: stadio finale Lo stantuffo tuffante comprende la parte cilindrica che abbraccia l’eccentrico e la parte rettangolare cava che ruota liberamente nella scanalatura del giunto articolato. Mentre la parte piatta dello stantuffo tuffante ruota, nella sede del corpo della pompa gira liberamente anche il giunto articolato. Lo stantuffo tuffante è dotato di una canalina per la quale il gas entra nella camera di pompaggio dalla cavità di evacuazione del fluido. L’alimentazione del flusso di gas in controcorrente nella parte d’ingresso della pompa viene limitata dalla chiusura preliminare dell’ingresso per mezzo del movimento della valvola a cassetto. Esiste anche la possibilità di ridurre lo spazio nocivo. La chiusura ermetica del contatto del rotore con il cilindro nelle pompe viene garantita dallo spesso strato di olio che si forma dentro il cuneo posizionato tra il rotore e il cilindro.
Le pompe per vuoto ad azione meccanica effettuano lo svuotamento del volume a partire dal livello della pressione atmosferica. Dato che il gas rimosso viene emesso nell’atmosfera, nei confronti delle pompe per vuoto ad azione meccanica non si usano le caratteristiche come, ad esempio, “massima pressione di esercizio” oppure “massima pressione di aspirazione e di mandata”; ciò, mentre le caratteristiche chiave delle pompe per vuoto ad azione meccanica con guarnizione ad olio sono:
Per pompa per vuoto ad azione meccanica si intende un sistema che rimuove il gas che si usa per ottenere o mantenere la pressione al livello inferiore a quella atmosferica nei recipienti, dai quali viene evacuato il fluido idraulico con certi intervalli, con certa composizione e con certo volume del flusso gassoso.
Il funzionamento di tale sistema di pompaggio si basa sul principio, secondo il quale il gas si sposta sotto l’effetto del moto meccanico degli organi di lavoro della pompa e, in tal modo, compie l’azione di evacuazione per pompaggio. Il volume riempito di gas viene sezionato e allontanato dall’ingresso e viene indirizzato verso l’uscita. A seguito degli impulsi di moto, che si trasmettono alle molecole di gas, il gas si dirige, regolarmente, verso l’uscita del sistema di pompaggio.
In base alle caratteristiche costruttive e al principio di funzionamento si distinguono sette tiipologie di pompe: pompe a vite; pompe a diaframma; pompe a pistone; pompe rotative a lamelle; pompe con valvola a cassetto; pompe di Roots; pompe a spirale. A seconda del tipo del liquido idraulico, le pompe meccaniche possono essere di tipo molecolare (funzionano con lo scorrimento delle molecole del fluido) e di tipo volumetrico (funzionano con lo scorrimento laminare del fluido). Le pompe per vuoto ad azione meccanica si differenziano per il livello di concentrazione del vuoto (alto, basso, medio). Inoltre, le pompe di questo tipo si suddividono in quelle che sono in grado di operare senza materiale lubrificante o con materiale lubrificante. Questo tipo di impianti di pompaggio trova ampia applicazione nei settori industriali più svariati, e cioè nella chimica, metallurgia e siderurgia, elettronica, nell’industria alimentare, nella medicina e nel settore spaziale. Non solo, ma i sistemi di pompaggio meccanici vengono impiegati nella composizione di vari impianti industriali, nonchè per i processi tecnologici come, ad esempio, rifusione di metalli, rivestimento di film sottili, simulazione delle condizioni spaziali, ecc.
Data la stabile domanda di sistemi di pompaggio si assiste, attualmente, al processo di continuo perfezionamento, sviluppo e progettazione di sempre nuovi impianti con prestazioni più elevate.
La velocità di funzionamento di queste pompe non dipende, direttamente, dal tipo di gas trasportato. Ciò, mentre la pressione residua dipende dalle caratteristiche costruttive dell’impianto di pompaggio, nonchè dalle proprietà del fluido idraulico. In qualità di liquido idraulico si usa, di regola, l’olio che possiede un ampio elenco delle caratteristiche necessarie:
La stabilità delle prestazioni delle pompe per vuoto meccaniche dipende dalla dimensione dei giochi tra le superfici, dal numero di giochi, nonchè dalla qualità dell’olio usato per lubrificare i componenti e le superfici.
Per aumentarne il rendimento la pompa a stantuffo tuffante può essere equipaggiata con by-pass che possono avere una struttura assolutamente diversa. La funzione di questi dispositivi di derivazione è quella di equilibrare la pressione sui due lati alla fine della corsa del pistone.
In assenza di canali di by-pass il resto del gas compresso proveniente dallo spazio nocivo si amplia man mano che il pistone si muove da sinistra a destra. Nello stesso tempo, il resto del gas compresso ha il livello di pressione p2, mentre la curva ea1 prima di raggiungere la pressione di aspirazione p1 e p1 и λ0=V1/V. Nella pompa per vuoto con la posizione del pistone a sinistra il resto del gas si sposta nella cavità destra del cilindro dove la pressione è uguale a p1. Nello spazio nocivo la pressione cala da p2 a pnoc e il gas restante si estende seguendo la curva fa. L’aspirazione comincia all’inizio della corsa del pistone (λ0=(V'1/V)>λ0). Un processo analogo avviene durante la corsa del pistone nel senso inverso (da destra a sinistra) e, come risultato, il rendimento (efficienza) volumetrico aumenta dal valore 0.8 a 0.9 λ0. La presenza di spazio nocivo è il motivo, per il quale una pompa per vuoto a pistone non è in grado di creare il vuoto assoluto ed ha un limite teorico di questa grandezza che corrisponde ad un certo valore di pressione residua plim. In assenza di canale di derivazione la grandezza plim è maggiore rispetto a quella che potrebbe essere, qualora un canale di by-pass fosse presente.
Se una pompa per vuoto opera senza interruzioni, il volume di gas evacuato per aspirazione, che è uguale al volume dei gas tecnologici emessi in atmosfera, e i volumi che entrano da fuori, penetrando attraverso le zone che non sono a chiusura ermetica, non cambiano nel tempo. Non varia neanche il valore di potenza dell’albero della pompa per vuoto. Giova notare che questo parametro è molte volte più alto per gli impianti dotati di canale di by-pass, in quanto non si considera l’ampliamento della quantità del gas compresso in derivazione.
I compressori rotativi si usano sia per la compressione di gas sia per la loro rarefazione, e cioè in qualità di pompe per vuoto rotative. Per quanto riguarda le pompe di prevuoto, hanno le caratteristiche costruttive alquanto diverse e si propongono per il funzionamento con pompe a diffusione e con quelle molecolari.
Le pompe rotative a lamelle comprendono un corpo cilindrico equipaggiato con le bocchette di aspirazione e di mandata, nonchè con un rotore posizionato in modo eccentrico. Nelle scanalature del rotore sono montate le lamelle. Questo tipo di pompe per vuoto può avere due, quattro o più lamelle.
Dato che il rotore ha un diametro piccolo, l’azione della forza centrifuga non risulta sufficiente per far aderire bene le lamelle alla superficie interna del corpo, e perciò per comprimere le lamelle vengono usate le molle. Questo tipo di impianti per pompaggio è in grado di generare una pressione residua da 7 a 13 Pa; con due stadi di funzionamento, invece, si raggiunge una pressione fino a 1,3 Pa e con tre stadi di funzionamento - fino a 0,13 Pa. La struttura delle pompe rotative a lamelle a bassa velocità (fino a 1 cavallo) funziona in bagno d’olio che assicura la chiusura ermetica delle connessioni dell’impianto riducendone anche le perdite per attrito. La struttura delle pompe rotative a lamelle con alta velocità di evacuazione per pompaggio (fino a 103 cavalli) corrisponde allo Schema b della Figura 4. Queste pompe sono sprovviste di bagno d’olio e per ridurre le perdite per attrito vengono impiegati anelli speciali che si mettono in rotazione dalle lamelle. Ciò, mentre attraverso i fori negli anelli passa il gas che viene rimosso. Alcuni impianti, che, invece, sono dotati di lamelle realizzate in materiale antifrizione, fanno a meno di tali anelli.
Uno degli svantaggi principali delle pompe per vuoto a lamelle è rappresentato dal calo del rendimento volumetrico anche a bassa usura delle lamelle. Infatti, addirittura a seguito di usura esigua di questi componenti della pompa si verifica una fuoruscita di gas attraverso le fessure dalla parte di mandata verso la parte di aspirazione. L’alto grado di compressione favorisce un notevole aumento della temperatura del gas, mentre a seguito di graduale calo della pressione residua si verifica il calo del rendimento volumetrico.
La presenza nel rotore di più lamelle fa sì che la macchina diventi meno sensibile nei confronti dell’usura delle lamelle, nonchè nei confronti della riduzione del valore del rendimento volumetrico. Nello stesso tempo, per le sue caratteristiche costruttive, la pompa diventa più complessa e aumenta, altresì, il volume dello spazio nocivo. Proprio per ridurre l’effetto dello spazio nocivo le pompe per vuoto di questa tipologia vengono equipaggiate con canali di derivazione. Il valore di potenza sull’albero si calcola in base alla formula ηmecc=0,8-0,9.
Per la creazione del vuoto vengono usate, ampiamente, le pompe per vuoto ad anello liquido (compressori ad anello liquido). Queste macchine sono in grado di creare una depressione fino al 98%. Uno degli svantaggi principali, però, di questi sistemi è il loro basso rendimento (da 0,40 a 0,45).
Questi impianti sono equipaggiati con una girante posizionata in modo eccentrico, mentre sulla girante sono montate le palette. All’interno del corpo si trova il liquido, il quale durante la rotazione, essendo soggetto ad effetto della forza centrifuga, aderisce alle pareti del corpo formando un anello. Tra le palette della pompa e l’anello liquido si formano celle di dimensioni diverse. Nella prima fase la dimensione delle celle cresce, mentre dentro la pompa, attraverso la bocca di aspirazione entra il gas. Nella fase successiva, invece, il volume delle celle diminuisce e il gas compresso viene evacuato dalla pompa. Il valore della pressione limite di queste macchine è pari a (2-3)*103 Pa. Questo tipo di pompe opera con la pressione atmosferica e nel regime del compressore garantisce una pressione fino a 2*105 Pa. L’indice della velocità di funzionamento varia da 25 a 500 cavalli. Lo svantaggio principale di queste pompe è l’eccessivo consumo specifico di potenza (circa 200 W/(cavalli)), valore, questo, che è condizionato dalla necessità di spostare il liquido all’interno della pompa.
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