Давление вакуума в барах

1. Введение.

При выборе вакуумного насоса (или компрессора) и оценке его пригодности для использования в той или иной технологии оперируют двумя главными характеристиками:

Вакуумный насос или компрессор, который в поиске у потенциального пользователя, должен, прежде всего, обеспечить требуемый уровень давления. Затем ставится задача получить это давление за определенный промежуток времени. Быстрота получения заданного значения давления определяется производительностью ( pumping speed ) вакуумного насоса. При этом газовые компрессоры нагнетают газы и формируют давления выше атмосферного. Вакуумные насосы генерируют давления ниже атмосферного, т.е. создают разрежение.

В этой статье речь пойдет о низком давлении, т.е. о ВАКУУМЕ, как об основной технической характеристике всех вакуумных насосов. Создание или генерирование устройством вакуума – это динамический процесс понижения атмосферного давления в объеме и во времени. При поисках и выборе вакуумного насоса по уровню вакуума обычно говорят о двух характеристиках вакуумного насоса, связанных с давлением:

• предельное остаточное давление (или предельный вакуум, ultimate pressure )
• рабочее давление (или рабочий вакуум, working pressure )

Предельное остаточное давление – это самое хорошее (высокое) значение вакуума, которое позволяет достигнуть конструкция этого вакуумного насоса. Важно понимать, что когда вакуумный насос достигает этого предельного значения вакуума, производительность откачки газов становится равной нулю, т.е. откачка прекращается, и в дальнейшем при работе насоса это значение предельного давления будет поддерживаться как некое достигнутое равновесное состояние системы «насос-откачиваемый объём».

Как правило, значение предельного остаточного давления достигается лишь при работе вакуумного насоса в режиме «сам на себя», т.е. при заглушенном входном патрубке. Это объясняется довольно просто: при подключении к насосу технологических объемов (емкости, трубопроводы, стыки, камеры и др.) всегда существуют течи (негерметичности) или явления газовой десорбции, которые не позволяют достичь в откачиваемом объеме максимальное значение вакуума, который способен создать сам насос.

Рабочее давление – это заданное значение вакуума, которое требуется обеспечить и поддерживать вакуумным насосом в той или иной технологии или техпроцессе.

При выборе вакуумного насоса его предельное остаточное давление должно быть немного лучше чем рабочее. Это как бы обеспечивает некий «запас прочности», т.е. гарантию того, что требуемое в техпроцессе давление будет достигнуто с помощью именно этого вакуумного насоса.

2. Давление газов в объёме. Атмосферное давление. Понятие «ВАКУУМ».

Давление газов в замкнутом объёме – это суммарное усилие, оказываемое ударами (толчками) постоянно движущихся молекул газов в стенки объёма, в результате их постоянного броуновского движения и сталкивания друг с другом и с твёрдыми стенками сосуда.

Основная единица измерения давления в системе СИ – это «Па» (Паскаль):

1 Па = 1 Н / м 2 = 0,01 мбар [ 1 ]

Другие общепринятые единицы измерения давления и их соотношения приведены в Таблице 1:

Таблица 1

Единица измерения давления	бар	мбар	мм. рт. ст.	м вод. ст.	Па	кПа	МПа	атм.	ат.	кгс/см 2	psi
Бар ( bar )	1	1000	750	10,2	100 000	100	0,1	0,9869	1,02	1,02	14,5

Атмосферное давление – это давление, которое оказывает масса воздушного столба, как смесь газов, простирающихся на высоту более 1000 км от уровня поверхности земли и океана. При этом надо понимать, что чем выше от поверхности моря находится точка измерения этого атмосферного давления, тем атмосфера менее сконцентрирована, тем смесь газов реже (как бы их масса разбавляется в огромном увеличивающемся с высотой объёме) и, как следствие, давление этой смеси газов падает с подъёмом на высоту (см. Рис. 2). Почему? Просто так издавна утроена планета Земля, вокруг которой существует атмосфера, как газовая аура вокруг шара. Благодаря этой атмосферной ауре живут организмы и проистекают самые жизненные реакции веществ, постоянно потребляющие кислород, и растения, которые этот кислород постоянно вырабатывают и восстанавливают т.н. кислородный атмосферный баланс. Самые яркие примеры – это ветер, горение (как процесс окисления) и дыхание живых организмов, животных, людей.

Кривая изменения атмосферного давления до высоты 12 км над уровнем моря показана на Рис. 3.

Земная атмосфера. Принято считать, что это смесь 14 основных «земных» газов (см. Рис. 1), из которых три составляют львиную долю, в целом более 99% (азот – более 78%, кислород – более 20%, паров воды может быть более 1%).

Земная атмосфера делится на зоны по параметрам давления и температуры: тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (см. Рис. 4).

Вакуум – это всякое давление, величина которого ниже атмосферного. Нормальным атмосферным давлением в земных условиях принято считать абсолютное давление атмосферного столба на уровне поверхности мирового океана (моря). Это значение составляет 1013 мбар абс. «абс.» – здесь имеется в виду абсолютное давление, которое равно нулю в том случае, когда в объеме нет ни одной молекулы газов. Т.к. на поверхности земли, в её недрах и в атмосфере всегда есть газообразные вещества и пары жидких веществ, то абсолютный вакуум недостижим в земных условиях. Как бы быстро и хорошо не откачивались объемы современными вакуумными насосами, какими бы герметичными они бы ни были, в микроскопических шероховатостях стенок объемов всегда есть определенное количество молекул газов, которые невозможно удалить из этих микрорельефов. Кроме того, при давлении на стенки сосудов извне всегда есть проскакивающие, как бы просачивающиеся сквозь сито, внутрь молекулы газов, даже сквозь твёрдые кристаллические решетки металлов. В закрытых объёмах всегда есть явления газовой десорбции, т.е. выделения молекул газов со стенок объема вовнутрь, всегда есть микропоры и микротрещины, через которые газы проникают в зоны низкого давления. Всё это не позволяет получить абсолютный вакуум в земных условиях.

Факты: Альпы – это горный массив, пересекающий границы шести стран. В самом их сердце возвышается знаменитая гора Монблан, находящаяся на границе Франции и Италии.

Сами Альпы представляют собой горную гряду, которая тянется по Европе почти 1200 км, в самом широком месте между итальянской Вероной и немецким Гармиш-Партенкирхеном имеет ширину около 260 км, занимая общую площадь в 190 тыс. кв. км. Альпы полностью или частично находятся на территории 8 стран. По доле общей площади государства, приходящейся на Альпы, эти страны располагаются следующим образом: Лихтенштейн (100%), Монако (100%), Австрия (65%), Швейцария (60%), Словения (40%), Италия (17%), Франция (7%), Германия (3%).

Факты: Эверест, она же Джомолунгма – высочайшая вершина в мире, высота этой горы составляет 8848 метров. Эверест расположен в Гималайских горах, которые протягиваются по Тибетскому нагорью и Индо-Гангской равнине на территории нескольких стран: Непала, Индии, Бутана, Китая.

Вершина Эвереста расположена на территории Китая, но сама гора находится на китайско-непальской границе.

Факты: В гражданской и военной авиации очень важно поддерживать атмосферное давление внутри самолета, т.к. при поднятии его на любую высоту от поверхности Земли, давление за бортом падает, а это влечет за собой отток воздуха из салона самолета во внешнюю среду. Чтобы этого не происходило требуется выполнение двух основных условий нормального полета с лётчиком или пассажирами внутри:

– корпус самолета должен быть герметичен ( max отсутствие утечек воздуха наружу);
– в корпус необходимо подавать воздух компрессорами под избыточным давлением, чтобы компенсировать всегда существующие утечки и микро утеки воздуха наружу.

Если в военных самолётах можно решить проблему утечек индивидуальными масками пилотов, то в гражданских самолётах, где много пассажиров, создают специальные автоматизированные системы поддержания атмосферного давления.

Рис. 3. График снижения атмосферного давления с высотой над уровнем моря (от 0 до 12) км.

Рис. 4. Диаграмма распределения температуры воздуха в 4-х слоях атмосферного столба:
тропосфера (до 11 км), стратосфера (от 11 до 47 км), мезосфера (от 47 до 80 км), термосфера (свыше 80 км).

3. Градация вакуума по глубине (технические уровни вакуума).

Существует несколько методик по разбивке всей возможной шкалы низкого давления на различные интервалы (отрезки). Самые распространенные – это академическая градация и индустриальная градация.

Академический основан на оценке плотности (степени разрежения) газов по характеру движения их молекул в объёмах путем соизмерения длин пробега молекул между их столкновениями друг с другом и со стенками сосудов, т.е. соизмерения т.н. длин свободного пробега. Чем больше средняя длина свободного пробега молекулы, тем лучше вакуум. Так, например, если молекула газа в объёме успевает пролететь от стенки к стенке не соударяясь с другими молекулами, то это показатель того, что в таком объёме достигнут сверхвысокий вакуум.

Так как мы специализируемся на поставках оборудования для промышленных применений, то рассмотрим в этой статье индустриальный подход к разбивке вакуума на 4 класса (интервала). Этот метод соответствует европейскому стандарту DIN 28400. Классы вакуума приведены в Таблице 2.

Таблица 2 Технические уровни вакуума ( classes ) Диапазон давлений ( pressure range ) ФОРВАКУУМ ( rough vacuum ) (от 1000 до 1) мбар абс. СРЕДНИЙ ВАКУУМ ( fine vacuum ) (от 1 до 10 -3 ) мбар абс. ВЫСОКИЙ ВАКУУМ ( high vacuum ) (от 10 -3 до 10 -7 ) мбар абс. СВЕРХВЫСОКИЙ ВАКУУМ ( ultrahigh vacuum ) (10 -7 и ниже) мбар абс.

4. Базовые законы ФИЗИКИ ГАЗА и уравнение состояния идеального газа.

Закон Бойля-Мариотта.

Закон Бойля-Мариотта был установлен английским физиком Робертом Бойлем в 1662 г. и независимо от него французским ученым Эдмом Мариоттом в 1679 г. и звучит так:

Для данной массы газа при неизменной температуре произведение его давления p на объем V есть величина постоянная:

Этот закон также называется ЗАКОНОМ ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.

при постепенном росте объёма определенного количества газа, чтобы сохранить его температуру неизменной, давление газа должно также постепенно снижаться.

Закон Гей-Люссака.

Закон, связывающий объем газа V и его температуру T, был установлен французским ученым Жозефом Гей-Люссаком в 1802 г.

Для данной массы газа при постоянном давлении отношение объёма газа к его температуре есть величина постоянная.

Этот закон еще называют ЗАКОНОМ ИЗОБАРНОГО ПРОЦЕССА.

при постепенном нагреве определенного количества газа, чтобы сохранить давление неизменным, газ должен также постепенно расширяться.

Закон Шарля.

Закон, связывающий давление газа p и его температуру T, установлен Жаком Шарлем в 1787 году.

Для данной массы газа в закрытом герметичном объёме давление газа всегда прямо пропорционально его температуре.

Этот закон еще называют ЗАКОНОМ ИЗОХОРОГО ПРОЦЕССА.

при постепенном нагреве определенного количества газа в закрытом объёме, также постепенно будет расти и его давление.

Уравнение состояния идеального газа.

Уравнение, позволяющее обобщить все три основных газовых закона термодинамики называется уравнением состояния идеального газа или уравнением Менделеева-Клапейрона. Оно дает взаимосвязь трёх важнейших макроскопических параметров, описывающих состояние идеального газа: давления p , объема V , температуры T ,- и имеет вид:

[ 5 ]

p ∗ V = Const = f, где f зависит от рода газа T

или при записи в другом виде: [ 6 ]

p ∗ V =	m	∗ R∗T
	μ

p – давление газа, Па (Н/м 2 )

μ – молярная масса газа

R = 8,31 Дж/моль ∗ К – универсальная газовая постоянная,

T – температура газа, °К (градусы абсолютной шкалы Кельвина).

Под идеальным газом понимается газ, частицы которого являются не взаимодействующими на расстоянии материальными точками и испытывают абсолютно упругие соударения друг с другом и со стенками сосудов.

Важно понимать, что все газовые законы работают для фиксированной массы (количества) газа.

Законы эти хорошо работают для режимов вакуума и не приемлемы при очень высоких давлениях и температурах.

5. Конструктивные типы вакуумных насосов.

Если говорить об уровне вакуума и его использовании в промышленных и исследовательских целях, то:

– в массовой мировой промышленности очень широко применяют форвакуум и средний вакуум;

– в более редких высоких технологиях используют форвакуум, средний и высокий вакуум;

– в лабораториях и исследованиях можно встретить все классы вакуума, в т.ч. и сверхвысокий.

Для получения всех классов в промышленности применяют различные конструкции вакуумных насосов, основные типы которых приведены в Таблице 3.

Таблица 3

Тип насоса

Конструктивный вид
(схема)

Диапазон рабочих давлений

Мембранный вакуумный насос:

– 1 ступень откачки
– 2 ступени откачки
– 3 ступени откачки
– 4 ступени откачки

Соответственно работа в диапазоне:

– от 100 мбар абс. до атмосферного давления
– от 10 мбар абс. до атмосферного давления
– от 2 мбар абс. до атмосферного давления
– от 0,5 мбар абс. до атмосферного давления

от 600 мбар абс. до атмосферного давления

от 400 мбар абс. до атмосферного давления

от 150 мбар абс. до атмосферного давления

Водокольцевой вакуумный насос

от 33 мбар абс. до атмосферного давления

Сухой кулачковый вакуумный насос

от 20 мбар абс. до атмосферного давления

Пластинчато-роторный вакуумный насос с рецикркуляционной смазкой

от 0,5 мбар абс. до атмосферного давления

Сухой спиральный вакуумный насос

от 0,01 мбар абс. до атмосферного давления

Сухой винтовой вакуумный насос

от 0,01 мбар абс. до атмосферного давления

2-х ступенчатый пластинчато-роторный вакуумный насос с масляной ванной

от 0,0005 мбар абс. до атмосферного давления

Сухой вакуумный насос Рутса (бустерный)

от 0,001 до 25 мбар абс.

– турбомолекулярные
– диффузионные паромасляные
– криогенные
– магниторазрядные
– сорбционные, ионные и гетероионные

от 10 -11 до 5 мбар абс.

В этом разделе основной акцент сделан на насосы для получения форвакуума, т.к. это самая востребованная ниша рынка вакуумного оборудования, и не только в России и странах СНГ, а и во всем мире.

Следует также знать, что высоковакуумные насосы не могут работать без вакуумных насосов фор- и среднего вакуума, т.к. они стартуют в работу только с пониженных давлений (как правило, со среднего вакуума) и выхлоп у них должен происходить в зону вакуума, иначе высокий и сверхвысокий вакуум недостижим. Т.о. форвакуумные насосы и насосы среднего вакуума востребованы во всех отраслях промышленности, высокотехнологичных сферах и в научных исследованиях.

При подборе вакуумного насоса наши партнеры часто используют специфические единицы измерения производительности и остаточного давления насосов.

Так кому-то привычней оперировать литрами в секунду, кому-то кубическими метрами в час или минуту. Кто-то привык измерять давление в атмосферах, а кому-то привычней милливольты, Паскали или Бары.

Специалисты «СЛЭМЗ» составили таблицы основных показателей вакуумных насосов АВЗ, водокольцевых насосов ВВН, пластинчато-роторных НВР: производительность и предельное остаточное давление. Также вы найдете таблицу перевода самых популярных единиц измерения давления.

Производительность или быстродействие вакуумного насоса определяет допустимые объемы, в которых может создаваться паспортное разрежение. Неправильно подобранный по производительности агрегат будет перегреваться, разбрызгивать уплотняющую жидкость, заклинивать либо же просто работать неэффективно.

Остаточное давление принято измерять в Паскалях, Барах, миллиметрах ртутного столба и атмосферах. При работе с аналоговыми вакуумметрами используется условная шкала от нуля до «минус единицы»

Основные параметры АВЗ и НВЗ

Глубина вакуума Модель Быстродействие Паскали Бары kgf/cm 2 мм. рт. ст. атмосферы м 3 /час м 3 /мин л/с л/мин 1,1 0.000011 0.000011 0.0083 0.000011 АВЗ-20Д (НВЗ-20) 72 1,2 20 1200 6,7 0.000067 0.000068 0,05 0.000068 АВЗ-63Д 227 3,783 63 3780 6,7 0.000067 0.000068 0,05 0.000068 АВЗ-90 324 5,4 90 5400 6,7 0.000067 0.000068 0,05 0.000068 АВЗ-125Д 450 7,5 125 7500 6,7 0.000067 0.000068 0,05 0.000068 АВЗ-180 648 10,8 180 10800

Производительность и остаточное давление ВВН

Единицы измерения вакуума					Модель	Быстродействие
Паскали	Бары	kgf/cm 2	мм. рт. ст.	атмосферы		м 3 /час	м 3 /мин	л/с	л/мин
20000	0,2	0,2	200	0,2	ВВН1-0,75	45	0,75	12,5	750
40000	0,4	0,41	300	0,41	ВВН1-1,5	90	1,5	25	1500
40000	0,4	0,41	300	0,41	ВВН1-3	198	3,3	55	3300
40000	0,4	0,41	300	0,41	ВВН1-6	372	6,2	103,3	6198
40000	0,4	0,41	300	0,41	ВВН1-12	720	12	200	12000
40000	0,4	0,41	300	0,41	ВВН1-25	1500	25	416,6	24996
40000	0,4	0,41	300	0,41	ВВН2-50М	3000	50	833,3	49998

Быстродействие и глубина вакуумных насосов НВР

Давление вакуума в					Модель	Быстродействие
Паскали	Бары	kgf/cm2	мм. рт. ст	атмосферы		м3/час	м3/мин	л/с	л/мин
1,1	0.000011	0.000011	0.0083	0.000011	3НВР-1Д (НВР-1,25)	4,5	0,075	1,25	75
6,7	0.000067	0.000068	0,05	0.000068	2НВР-5ДМ	19,6	0,3267	5,5	330
6,7	0.000067	0.000068	0,05	0.000068	НВР-16ДМ	60	1	16,6	996
6,7	0.000067	0.000068	0,05	0.000068	2НВР-90Д	90	1,5	25	1500

Таблица перевода единиц измерения вакуума (давления)

Таблица соответствия единиц измерения глубины вакуума помогает быстрее переводить паспортные показатели насосов в привычные Вам единицы измерения: Паскали в Бары, Атмосферы либо кгс/см 2

Единицы измерения глубины вакуума

Паскаль МПа Бар Атмосфера мм рт. ст. м. в.ст. кгс/см 2 Паскали, Па (Н/м 2 ) 1*10 -6 10 -5 9.87*10 -6 0.0075 10 -4 1.02*10 -5 Мегапаскали, МПа 1*10 6 10 9.87 7.5*10 3 102 10.2 Бары 105 0,1 0.987 750 10.197 1.0197 Атмосферы, АТМ 1.01*10 5 1.01* 10-1 1.013 759.9 10.332 1.03 Миллиметры ртутного столба 133.3 133.3*10 -6 1.33*10 3 1.32*10 -3 0.013 1.36*10 3 Метры водяного столба 10 4 10 -2 0.097 9.87*10 -2 75 0.102 Килограмм-сила на квадратный сантиметр, кгс/см 2 9.8*10 4 9.8*10 -2 0.98 0.97 735 10

Теперь вы можете подобрать вакуумный насос под специфику техпроцесса, оперируя производительностью и остаточным давлением в любых единицах измерения.

Если у вас остались вопросы, звоните — менеджеры СЛЭМЗ подробно расскажут об единицах измерения вакуума и помогут с выбором!

Если Вы нашли ошибку на нашем сайте, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Введение

Понятие вакуума и единицы измерения

Термин "вакуум", как физическое явление – среда, в которой давление газа ниже атмосферного давления.

Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Основной единицей измерения давления в Международной системе (СИ) служит Паскаль (1 Па = 1Н/м 2 ). Однако, на практике встречаются и другие единицы измерения, такие как миллибары (1 мбар = 100Па) и Торры или миллиметры ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133,322 Па). Данные единицы не относятся к СИ, но допускаются для измерения кровяного давления.

Уровни вакуума

В зависимости от того, на сколько давление ниже атмосферного (101325 Па), могут наблюдаться различные явления, вследствие чего могут использоваться различные средства для получения и измерения такого давления. В наше время выделяют несколько уровней вакуума, каждый из которых имеет свое обозначение в соответствии с интервалами давления ниже атмосферного:

• Низкий вакуум (НВ): от 10 5 до 10 2 Па,
• Средний вакуум (СВ): от 10 2 до 10 -1 Па,
• Высокий вакуум (ВВ): от 10 -1 до 10 -5 Па,
• Сверхвысокий вакуум (СВВ): от 10 -5 до 10 -9 Па,
• Черезвычайно высокий вакуум (ЧВВ): -9 Па.

Данные уровни вакуума в зависимости от области применения разделяют на три производственные группы.

– Низкий вакуум: в основном используется там где требуется откачка большого количества воздуха. Для получения низкого вакуума используют электромеханические насосы лопастного типа, центробежного, насосы с боковым каналом, генераторы потока и т.д.

Низкий вакуум применяется, например, на фабриках шелкотрафаретной печати.

– Промышленный вакуум: термин “промышленный вакуум” соотвествует уровню вакуума от -20 до -99 кПа. Данный диапазон используется в большинстве применений. Индустриальный вакуум получают с помощью ротационных, жидкостно-кольцевых,поршневых насосов и лопастных вакуумных генераторов по принципу Вентури. Область применения промышленного вакуума включает в себя захват присосками, термоформование, вакуумный зажим, вакуумная упаковка и др.

– Технический вакуум: соответствует уровню вакуума от -99 кПа. Такой уровень вакуума получают при помощи двухуровневых ротационных насосов, эксцентриковых роторных насосов, вакуумных насосов Рутса, турбомолекулярных насосов, диффузионных насосов, криогенных насосов и т.д

Такой уровень вакуума используется в основном при лиофилизации, металлизации и термообработке. В науке технический вакуум используется в качестве симуляции космического пространства.

Наивысшее значение вакуума на земле значительно меньше значения абсолютного вакуума, которое остается чисто теоретическим значением. Фактически, даже в космосе, несмотря на отсутствие атмосферы, имеется небольшое количество атомов.

Основным толчком к развитию вакуумных технологий послужили исследования в промышленной области. В настоящий момент существует большое количество применений в различных секторах. Вакуум используется в электролучевых трубках, лампах накаливания, ускорителях частиц, в металлургии, пищевой и аэрокосмической индустрии, в установках для контроля ядерного синтеза, в микроэлектронике, в стекольной и керамической промышленности, в науке, в промышленной роботехнике, в системах захвата с помощью вакуумных присосок и т.д.

Примеры применения вакуума в промышленности

Вакуумные системы множественного захвата "ОКТОПУС"

Захват металлических листов, стекла, мрамора, дерева и т.д. при помощи вакуумных присосок

Перемещение гранул порошка, жидкостей и т.п.

Фиксированная дозировка объема

Захват яиц вакуумными присосками

Перемещение и маркировка с помощью присосок

Открытие пакетов с помощью присосок. Упаковочный датчик

Вакуумные цилиндры для отслаивания

Вакуумное формование полимеров

Вакуумные присоски – общая информация

Вакуумные присоски незаменимый инструмент для захвата, подъёма и перемещения предметов, листов и различных объектов, которые трудно перемещать обычными системами, из-за их хрупкости или риска деформации.

При правильном применении присоски обеспечивают удобство, экономичность и безопасность работы, что является фундаментальным принципом для идеальной реализации проектов автоматизации на производстве.

Продолжительные исследования и внимание к требованиям наших клиентов, позволили нам производить присоски выдерживающие высокие и низкие температуры, абразивный износ, электростатические разряды, агрессивные среды, а так же не оставляют пятен на поверхности переносимых предметов. Помимо этого, присоски соответствуют стандартам безопасности EEC и пищевым стандартам FDA, BGA, TSCA.

Все присоски изготавливаются из высококачественных компонентов методом вакуумного формования и подвергаются антикоррозионной обработке для долгого срока службы. Независимо от конфигурации, все присоски имеют свою маркировку.

Система множественного захвата Октопус