Blog

Powody stosowania próżni w przemyśle

16 sierpnia 2021 godz. 13:34

Powody stosowania próżni w przemyśle

Próżnia w rozumieniu technicznym to stan rozrzedzenia gazu, tj. gazu będącego pod ciśnieniem mniejszym od ciśnienia atmosferycznego. W stanie tym zmniejsza się ilość cząsteczek (w teorii kinetycznej gazów pojęcie cząsteczka używane jest do opisu gazowej cząstki bez względu na jej budowę) oraz zwiększa się średnia droga swobodna cząsteczki gazu.

Zatem co to jest próżnia? To, w wielkim skrócie, taka przestrzeń, w których liczba cząsteczek gazu została znacząco zmniejszona w stosunku do otaczającej nas atmosfery. 

Próżnia jest stosowana w procesach produkcyjnych z kilku powodów.

 

Zastosowanie 1: zapewnienie siły roboczej

Co to jest próżnia? Między innymi świetny sposób na zoptymalizowanie pracy! Jeżeli system działa w jakimkolwiek zakresie próżni, to występuje różnica ciśnień pomiędzy wewnętrznym i zewnętrznym obszarem systemu. W tym przypadku system to zamknięty układ, w którego wnętrzu można obniżyć ciśnienie względem zewnętrznego obszaru.

Powstała różnica ciśnień – tj. ciśnienie różnicowe – może być bezpośrednio wykorzystane do pracy.

Przykładem może być trawersa próżniowa stosowana do transportu poziomego nieprzepuszczalnych materiałów takich jak blachy, szkło, płyty karton-gips, płyty MDF itp.

W zależności od ilości przyssawek i ich średnic można uzyskać różne udźwigi. Np. pojedyncza przyssawka o średnicy 210 mm zapewnia udźwig 75 kg, a o średnicy 625 mm – 1100 kg. Oczywiście te parametry mogą się różnić w zależności od producenta i rozwiązań technicznych przystawek, poziomu próżni itp. 

Gdzie jeszcze próżnia (a dokładniej to ciśnienie różnicowe wytworzone przez próżnię) może być wykorzystywana? Chwytaki, podnośniki, trawersy, zawiesia próżniowe stosowane są do przemieszczania szyb, arkuszy papieru, torebek lub tacek. Znane są również zastosowania chwytaków próżniowych do podniesienia i przemieszczenia bardzo małych detali takich jak układy scalone i elementy elektroniczne.

 

Zastosowanie 2: usunięcie aktywnych i reaktywnych składników z gazu

Wiele systemów próżniowych stosowanych w przemyśle ma cykliczny charakter pracy. Produkt poddawany obróbce umieszcza się w komorze, po czym ciśnienie jest obniżane. Następnie ciśnienie w komorze jest podwyższane do atmosferycznego i produkt jest usuwany z komory. Cykle mogą trwać kilka sekund (jak w przypadku powlekania kryształów kwarcu) lub kilkanaście godzin (cykl obróbki cieplnej, która zawiera odsysanie, ogrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie i powrót do ciśnienia atmosferycznego).

W tych przypadkach składnikiem usuwanym z komory jest powietrze. W składzie powietrza występuje szereg gazów:

  • azot 78,08%,
  • tlen 20,95%
  • inne (argon, dwutlenek węgla itp).

W powietrzu, którym oddychamy, występuje również para wodna w ilości uzależnionej od warunków otoczenia od 0,01% do 5% (średnio 1,6% w temperaturze pokojowej).

Para wodna jest lżejsza niż cząsteczki powietrza, natomiast powietrze zawiera pewien procent wilgoci. Jednak w momencie osiągnięcia nasycenia (w zależności od temperatury) para wodna zmienia swój stan skupienia. W warunkach atmosferycznych wynikiem tego zjawiska jest śnieg lub deszcz, a w warunkach domowych para wodna skondensowana na zimnej szybie.

Kiedy „suche” cząsteczki powietrza uderzają o powierzchnię, mają tendencję do pozostania na niej przez bardzo krótki okres. Następnie ruszają w losowo obranym kierunku. Połączenia atomowe pomiędzy cząsteczkami i powierzchnią są bardzo słabe i cząsteczki nie mają problemu z oderwaniem się od powierzchni. W ciśnieniach bliskich atmosferycznemu cząsteczki będą zderzały się z innymi cząsteczkami ze względu na gęstość powietrza (bliskość innych cząsteczek).

W ciśnieniu 0,013 mbar, cząsteczka będzie przemieszczała się ok. 8,5 mm, nim zderzy się z inną cząsteczką. Jako że ciśnienie (i gęstość) jest zredukowane w próżni, to cząsteczki będą przemierzały większe odległości, nim zderzą się z innymi cząsteczkami lub powierzchnią. Im niższe ciśnienie (wyższa próżnia), tym większe prawdopodobieństwo, że cząsteczki gazu zderzą się z powierzchnią w komorze próżniowej, niż z inną cząsteczką gazu.

Główną „suchą” cząsteczką, która musi być usunięta z komory próżniowej, jest cząsteczka tlenu. Tlen reaguje i może łączyć się z innymi cząsteczkami, a w procesach, w których występuje ciepło, może się spalać. Produkty podlegające procesowi obróbki cieplnej mogą ulec oksydacji, jeżeli w otoczeniu pozostanie zbyt dużo cząsteczek tlenu.

Pompy próżniowe są wykorzystywane do zmniejszenia udziału procentowego cząsteczek tlenu do poziomu na tyle niskiego, że nie będzie już sprawiał problemów w procesie. Innymi słowy: co to jest próżnia? Świetny sposób na zapewnienie skomplikowanym i wymagającym procesom odpowiedniej czystości, bez ryzyka wprowadzenia do obrabianych materiałów niepożądanych cząsteczek.

Para wodna jest drugim składnikiem powietrza atmosferycznego, który może stworzyć problemy w układzie próżniowym. Para wodna ma mocniejsze wiązania atomowe niż suche gazy, przez co jej cząsteczki zostają przytwierdzane do wewnętrznych powierzchni systemu, nim zostaną oderwane i usunięte.

W przypadku gotowania wody w czajniku musimy dostarczyć energię, która pozwoli na ogrzanie wody do temperatury 100oC. Energia oderwie cząsteczkę i usunie ją w postaci pary, przeciwdziałając tym samym ciśnieniu atmosferycznemu (1013 mbar), które działa na powierzchnię wody.

W systemie próżniowym (w temperaturze pokojowej) cząsteczki pary wodnej odrywają się od powierzchni i mogą być usunięte, gdy ciśnienie zostanie zredukowane do poziomu ok. 24 mbar. Przez to wiele dużych układów próżniowych wykorzystuje boostery lub dmuchawy Rootsa. 

W dość krótkim czasie, kiedy ciśnienie spada z 70 do ok. 7 mbar, duża ilość pary wodnej jest odparowywana z powierzchni komory próżniowej i znajdującego się w niej produktu. Boostery Rootsa są zaprojektowane do pracy w tym zakresie ciśnień i mają wysoką prędkość odpompowywania. Odpompowują dużą ilość pary wodnej do pompy wstępnej, która wydala ją dalej do atmosfery.

Jeżeli system próżniowy wykorzystuje ciepło jako część procesu, komora próżniowa może być wstępnie wygrzana, by zapewnić parze wodnej więcej energii i ułatwić jej oderwanie się od powierzchni.

centralna-proznia-banercentralna-proznia-baner

 

 

 

 

Zastosowanie 3: usunięcie uwięzionych gazów

W typowym przemysłowym systemie próżniowym za każdym razem, gdy komora próżniowa jest cyklicznie ładowana i wyładowywana, występuje możliwość uwięzienia powietrza atmosferycznego podczas procesu. Powyżej pewnego progu poziom gazów jest niekorzystny.

Przykładem są połączenia śrubowe (wsporniki montażowe, które są przykręcone we wnętrzu komory próżniowej). Jeżeli śruby są wkręcone w nieprzelotowy otwór, to gaz może być uwięziony na dnie otworu. W przypadku standardowej śruby jedyną drogą ucieczki cząsteczek gazu jest obszar gwintu. Gdy połączenia są wykonane za pomocą śruby, podkładki i nakrętki, cząsteczki gazu są uwięzione w otworze podkładki. Usuwanie cząsteczek gazu wydłuża czas odpompowywania.

Innym przykładem mogą być gazy użyte w obróbce cieplnej porowatych materiałów. W tym przypadku powietrze jest adsorbowane w ciśnieniu atmosferycznym w porowatych materiałach, które posiadają bardzo dużą powierzchnię wewnętrzną i w warunkach próżniowych są powoli usuwane z powierzchni bardzo drobnych przestrzeni w materiale.

W przemyśle chłodniczym i klimatyzacyjnym przewody o małych średnicach adsorbują parę wodną na wewnętrznej powierzchni przewodów (podczas procesu produkcyjnego lub montażu np. wymienników ciepła). Para wodna powinna zostać usunięta po montażu, ale przed zasileniem układu czynnikiem chłodniczym. Brak usunięcia pary może skutkować jej wymrożeniem w zaworze rozprężnym, zatrzymaniem przepływu i w efekcie awarią systemu.

 

Zastosowanie 4: usunięcie rozpuszczonych gazów

Większość cieczy wykorzystywanych w przemyśle musi być pozbawiona zanieczyszczeń, aby nie zakłócić procesu produkcyjnego. Podczas mieszania lub nalewania cząsteczki gazu są uwięzione w cieczy w postaci małych pęcherzyków. Niektóre pęcherzyki mogą być widoczne, jednak te rozpuszczone w cieczy pozostają niezauważalne.

Poliuretany są często wykorzystywane do produkcji małych detali takich jak podeszwy butów, uszczelki, elementy zawieszenia samochodów, ale również opon wózków widłowych. Pęcherzyki gazu w produktach wskazują na niską jakość wykonania, a nawet mogą przyspieszać ich zużycie i obniżać trwałość.

Żywice wykorzystywane są do odlewów lub zalewania małych części elektrycznych w celu izolacji ich od warunków atmosferycznych. Pęcherze powietrza w żywicach sprawiają, że zastosowanie jej nie spełnia swojej funkcji.

Co to jest próżnia? To przede wszystkim, jak widać, świetny sposób na oczyszczenie wyrobów lub stanowiska procesu z niepożądanych, a nawet szkodliwych gazów.

 

Zastosowanie 5: zmniejszenie przewodności cieplnej

Najlepszym przykładem na zmniejszenie przewodności cieplnej jest termos z gorącą cieczą. Mimo gorącego wnętrza obudowa pozostaje chłodna, a zawartość termosu jest gorąca przez wiele godzin. Próżnia jest w tym przypadku izolatorem.

Powietrze o ciśnieniu atmosferycznym 1013 mbar zawiera ok. 2,7×1019 cząsteczek w każdym cm3 objętości. Cząsteczki te poruszają się prostoliniowo z prędkością ok. 1600 km/h, zderzają się z innymi cząsteczkami lub powierzchniami, odbijają się i ruszają w innym kierunku – aż do następnego zderzenia, które nastąpi po przebyciu odległości 68 nm.

Jeżeli cząsteczki są w komorze, w której wytworzona jest próżnia i jedna ścianka komory jest chłodna (zewnętrzna warstwa termosu), a druga gorąca (wewnętrzna warstwa termosu z gorącym napojem), to cząsteczki uderzające w chłodną warstwę będą przekazywały część swojego ciepła na powierzchnię i stracą energię, którą wykorzystałyby do oderwania się od powierzchni. Po uderzeniu w gorącą powierzchnię zwiększą swoją energię.

Cząsteczki gazu poruszają się w losowo wybranym kierunku, ciągle otrzymując i oddając energię w zależności od tego, czy uderzą w chłodną, czy w gorącą powierzchnię.

Najprostszym sposobem na ograniczenie transferu ciepła jest zredukowanie ilości cząsteczek, które są zawarte pomiędzy ściankami zbiornika i przenoszą ciepło. Innymi słowy: chodzi o wytworzenie możliwie najlepszej próżni.

W miarę spadku ciśnienia spada również gęstość cząsteczek w objętości, a droga swobodna cząsteczek wzrasta. Cząsteczki będą przebywały dłuższą drogę, nim zderzą się z inną cząsteczką lub powierzchnią.

Zjawisko to wykorzystywane jest do izolowania zbiorników na płynny azot, cystern do przewozu ciekłych gazów itp.

 

Zastosowanie 6: zwiększenie średniej drogi swobodnej cząsteczki

W miarę spadku ciśnienia w systemie średnia droga swobodna cząsteczek się zwiększa. W miarę usuwania cząsteczek gazu przez pompę próżniową gęstość gazu się zmniejsza i cząsteczki przebywają coraz dłuższą drogę, nim zderzą się z inną cząsteczką. 

Jeżeli w komorze próżniowej panuje ciśnienie ok. 0,0000133 mbar, to średnia droga swobodna cząsteczki wynosi ok. 4,8 m. Jeżeli komora próżniowa ma średnicę 15 cm, to jest bardzo mało prawdopodobne, że cząsteczka gazu zderzy się z inną cząsteczką gazu.

Dzięki temu urządzenia do metalizacji próżniowej, mikroskopy elektronowe, spektrometry masowe i akceleratory cząstek mogą skutecznie działać.

Powlekanie próżniowe jest metodą tworzenia wykończeniowej warstwy na podłożu. Podłożem może być papier, metal, tworzywo sztuczne, szkło i inne materiały wykorzystywane np. w układach scalonych. Sam proces powlekania jest dobierany w zależności od materiału podłoża, materiału powlekającego, grubości i powierzchni wykończenia. Powlekanie jest możliwe dlatego, że materiał powlekający może poruszać się w przestrzeni bez kolizji z innymi cząsteczkami gazu.

Metalizacja próżniowa / napylanie jest procesem polegającym na odparowaniu metalu (aluminium) i kondensacji jego par na napylanym przedmiocie w warunkach wysokiej próżni. Uzyskana warstwa tworzy cienką lustrzaną powłokę o grubości od 0,3 do 1 μm i jest regulowana przez zmianę czasu naparowywania.

Aluminium poddawane odparowaniu (które nie ulega utlenianiu ze względu na brak tlenu) jest roztapiane w spirali grzejnej po osiągnięciu wymaganego minimalnego ciśnienia w komorze próżniowej (ok. 1,33x10-4 mbar).

Odparowujące atomy aluminium poruszają się z prędkością ponad 100 m/s. Poruszają się one po liniach prostych do momentu zderzenia z przeszkodą (metalizowanym detalem, ściankami komory próżniowej lub cząstkami gazu pozostałego w komorze).

Metoda metalizacji próżniowej jest wykorzystywana w przemyśle samochodowym i elektronicznym, przy produkcji sprzętu gospodarstwa domowego i zabawek, ale też przy wielu innych procesach wytwarzania:

  • galanterii zdobniczej,
  • elementów kosmetyków,
  • elementów do lamp,
  • elementów do luster,
  • elementów RTV,
  • okuć kaletniczych,
  • okuć szewskich,
  • okuć meblowych,
  • okuć okiennych,
  • ozdób choinkowych.

 

Podsumowanie

Zastanawiałeś się, co to jest próżnia? Jak widać, znajdziesz ją niemal wszędzie – mniej lub bardziej bezpośrednio.

Próżnia wykorzystywana jest wykorzystywana w przemyśle do pakowania próżniowego, formowania opakowań, usuwania zbędnych cząstek gazu w celu przedłużenia trwałości produktów spożywczych lub zwiększenia jakości produktu, a także do ograniczenia przewodnictwa cieplnego i zwiększenia jakości izolacji termicznej produktów, które muszą być transportowane lub przechowywane w określonych warunkach cieplnych.

Wykorzystywana jest również do powlekania podłoża cienkimi warstwami.

W każdym z procesów do wytworzenia próżni są wykorzystywane pompy próżniowe lub całe grupy tych urządzeń, by było możliwe osiągnięcie jak najgłębszej próżni w jak najkrótszym czasie.

Sprawdź także nasz inny artykuł: Podstawy próżni

 

Ocena : -