Il Gas Ballast nelle Pompe da Vuoto

Il presente documento ha lo scopo di fornire nozioni basilari su argomentazioni legata e alla  tecnologia del vuoto. Nasce da una collezione di informazioni pubblicate su vari testi scientifici e siti internet facilmente reperibili e dei quali indichiamo il link dove possibile, o il titolo, autore casa editrice dei testi utilizzati.
Il flusso di informazioni è colloquiale e si usano citazioni matematiche solo dove le stesse servono ad agevolare la comprensione delle informazioni.
Il testo è riservato ad operatori macchina, addetti alle manutenzioni e a tutto il personale che a diverso titolo, opera con impianti da vuoto.
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Introduzione

E’ ben noto che, ridurre la pressione in un serbatoio quanto si voglia grande, equivale ad estrarre l’aria in esso contenuto e a diminuire quindi la densità di molecole al suo interno. Non tratteremo questa parte della teoria della tecnologia del vuoto, che si da per scontato sua sufficientemente conosciuta a chi opera in tutte quelle applicazioni dove il vuoto è necessario ai processi produttivi o scientifici o di ricerca dei quali si occupa.

Lo scopo di una pompa da vuoto è proprio quello di diminuire la densità della miscela contenuta nella camera, aspirando i gas e i vapori trasportandoli all’esterno.

Qualsiasi tipo di pompa da vuoto, fa esattamente questo lavoro, sia essa a bagno d’olio, a secco, a pistoni o altra tecnologia, il suo compito è spostare le molecole dalla camera all’esterno.

Abbiamo già fatto una prima distinzione tra gas e vapori che, anche se in alcune condizioni si comportano in maniera simile, in altri casi devono essere trattati separatamente. Sono comunque due sostanze, che si trovano allo stato gassoso, per esempio vapore acqueo e azoto gassoso, ma hanno comportamenti diversi nella generazione del vuoto.

Composizione dell’aria secca

Composizione dell’aria secca
Nome	Formula	Proporzione o frazione molare [ppm 1]	% (m/m)
Azoto	N2	78,08%	75,37%
Ossigeno	O2	20,95%	23,10%
Argon	Ar	0,93%	1,41%
Anidride carbonica	CO2	411,77 ppm (luglio 2019)[8]
Neon	Ne	18,18 ppm
Elio	He	5,24 ppm
Monossido di azoto	NO	5 ppm
Kripton	Kr	1,14 ppm
Metano	CH4	1 – 2 ppm
Idrogeno	H2	0,5 ppm
Ossido di diazoto	N2O	0,5 ppm
Xeno	Xe	0,087 ppm
Diossido di azoto	NO2	0,02 ppm
Ozono	O3	da 0 a 0,01 ppm
Radon	Rn	6×10−14ppm

Aria Umida

L’aria umida può contenere fino al 7% in volume di vapore acqueo; la percentuale di vapore acqueo nell’aria corrisponde al tasso di umidità relativa dell’aria e dipende dalla temperatura.

Il valore massimo di vapore acqueo che l’aria può contenere in condizioni di equilibrio è quello corrispondente alle condizioni di saturazione; al di sopra di tale valore massimo, il vapore acqueo tende spontaneamente a condensare.

Tale valore massimo dipende dalla temperatura e varia da valori prossimi allo 0% (per una temperatura pari a −40 °c), a circa 0,5% (a 0 °C), fino al 5-7% (intorno ai 40 °C).

Composizione dell’aria a 20 °C e 50% Ur
Nome	Pressione Parziale in mbar
Azoto	781,8
Ossigeno	209,7
Vapore Acqueo	12
Argon	9,34
Anidride carbonica	3,30E-01
Neon	1,82E-02
Elio	5,23E-03
Kripton	1,15E-03
Idrogeno	4,94E-03
Xeno	8,70E-05
Pressione Totale	1013,199607

La differenza tra Gas e Vapore

Come detto, una distinzione tra gas e vapore, deve essere fatta quando viene pompata da una camera una miscela dei due composti.

Un gas… NON può essere condensato alla temperatura di lavoro di una pompa da vuoto

…è una sostanza che si trova a una temperatura maggiore del suo punto critico, cioè è in uno stato intermedio tra il liquido e il plasma, è in grado di avere grosse variazione di volume se compresso o contratto da cambiamenti di pressione e temperatura, di espandersi indefinitamente, distribuendosi uniformemente nel volume in cui è contenuto. Il gas può essere portato allo stato liquido per compressione, abbassandone la temperatura al di sotto di un valore detto temperatura critica, in certi casi estremamente basso. Un esempio sono i gas refrigeranti che vengono compressi e poi raffreddati per trasformarli in un liquido.

Un vapore… PUO’ essere condensato alla temperatura di lavoro di una pompa da vuoto

…ha una temperatura compresa fra la sua temperatura di ebollizione e la sua temperatura critica, quando si trova al di sopra la sostanza aeriforme è detta impropriamente gas. Il vapore può essere condensato in un liquido o in un solido aumentando la sua pressione senza ridurre la temperatura perché già inferiore della sua temperatura critica. Nell’atmosfera a temperature ordinarie, quindi, l’acqua gassosa (vapore acqueo) condensa allo stato liquido se la sua pressione parziale è sufficientemente aumentata.

Principio di funzionamento della pompa a palette lubrificata ad olio

In figura è rappresentato lo schema principio di una pompa a palette semplice stadio. Un rotore eccentrico viene fatto ruotare all’interno dello statore e le due palette durante la rotazione, configurano alternativamente diverse camere di aspirazione e compressione che permettono di asportare le molecole contenute nella camera da evacuare. La grandezza della camera di aspirazione e la velocità di rotazione definiscono la portata volumetrica, m3/h della pompa. La valvola di antisuchback, rimane sempre aperta e chiude solo quando il rotore viene fermato per evitare che la maggior pressione esterna torni verso la camera con conseguente trascinamento di olio…

Pompaggio di aria secca priva di vapore acqueo

Il pompaggio di aria secca, è difficilmente riscontrabile nei reali impieghi delle pompe da vuoto, ma condizioni particolari, in special modo nel settore del vuoto aeronautico o aerospaziale, possono esistere, e in tali condizioni il gas ballast non è spesso necessario e quindi non utilizzato.

Nella fase iniziale, la camera è collegata alla pompa da vuoto e la pressione dell’aria che presumiamo per semplicità essere quella atmosferica, 1013,26 mbar, invade la camera di aspirazione della pompa.

La valvola di anti such back, posta sulla porta di aspirazione, è aperta e permette il passaggio dell’aria.

La paletta identificata dal pallino bleu, chiude il passaggio tra i due volumi della pompa, quello aspirante e quello premente. Vedremo che questo interstizio tra le due camere NON è perfettamente a tenuta, e quindi esiste sempre una perdita interna tra le due camere. In alcune pompe si attuano sistemi meccanici tali da attenuare gli effetti di  questo problema.

Non appena la paletta identificata con il pallino bleu chiude la porta di aspirazione, il collegamento tra la camera e la pompa viene momentaneamente chiuso. Il tratteggio di colore ciano identifica il volume aspirato dalla camera, che da adesso in poi verrà compresso per essere espulso dalla pompa tramite le valvole di scarico.

Da notare, anche se questo non è importante per quello che andremo a spiegare, che da ora in poi una nuova camera di aspirazione si andrà a creare tra la paletta e la porta di aspirazione. Quindi il ciclo è continuo e si ripete in fasi sempre uguali.

Ora la paletta identificata dal pallino bleu, ha compiuto circa il 70% della rotazione e sta comprimendo il gas in un volume sempre più piccolo che ha come unico sfogo le valvole di scarico.

Il gas di colore rosso è ormai alla massima compressione basta ancora poco per vincere la contropressione delle valvole per poter scaricare all’esterno.

La pressione è ormai tale da aprire le valvole di scarico e cominciare ad espellere il gas e scaricare nell’ambiente esterno.

Il ciclo è finito e la paletta gemella sta già preparando la nuova fase di aspirazione e compressione.

Pompaggio di aria UMIDA con vapore acqueo

Vedremo ora lo stesso ciclo, aspirando da una ampolla contenete aria e acqua, senza l’utilizzo del gas ballast

Come prima la pompa è collegata ad una camera, ma ora al suo interno c’è una miscela di aria e vapore acqueo che si crea dall’evaporazione dell’acqua in essa contenuto.

La pressione è ormai scesa a circa 70/80 mbar e quindi praticamente ormai vuota di gas; il vapore acqueo inizia a prevalere nella miscela pompata.

Nella pompa avremo ora aria e vapore acqueo identificato dai pallini bleu.

La paletta isola la camera dalla pompa ed inizia la fase di compressione di gas e vapore acqueo

Il gas e il vapore acqueo sono ormai compressi al massimo, Il vapore inizia a condensare in gocce di acqua. La quantità residua di gas, non è sufficiente a far aumentare la pressione essendo prevalente nella miscela il vapore acqueo

Il gas residuo ha ormai raggiunto la pressione necessaria ad aprire le valvole, il vapore è ormai condensato. Questo avviene perché alla temperatura di lavoro della pompa, 70/80 °C, la pressione di vapore va da 312 a 473 mbar, superato tale limite il vapore saturo condensa.

Poco dopo la paletta ha superato la porta di scarico della pompa e l’acqua ricade all’interno della pompa emulsionandosi con l’olio.

Ad ogni ciclo la quantità dell’acqua aumenta e rende l’olio emulsionato, non più in grado di lubrificare le parti meccaniche portando nel tempo ad un danneggiamento del corpo e del rotore.

Pressione di Saturazione e Densità del vapore acqueo nel range di temperatura da 0 a 140°C

Pompaggio di aria UMIDA con APPORTO DEL GAS BALLAST

Nel funzionamento con Gas Ballast la prima fase è esattamente la stessa.

Infatti in questo momento l’ingresso dell’aria è inibito fino a che la camera di compressione è ad una pressione superiore a quella ambiente. L’aria, o il gas utilizzato per il gas ballast entrerà solo quando la pressione interna sarà minore di quella esterna.

Il tubo di ingresso ha una valvola di ritegno per evitare che quando c’è una sovrappressione, dal tubo esca l’olio che inevitabilmente è presente nella pompa.

Ora che la paletta identificata con il pallino rosso isola la camera dalla pompa, la depressione interna alla pompa fa entrare aria dall’esterno aumentando la pressione con aria o gas freschi.

La pressione della camera non viene influenzata perché la paletta chiude la porta di aspirazione e in tal modo l’aria esterna non entra.

Fino a che la paletta con il pallino rosso non supera il foro di ingresso dell’aria, la pressione all’interno della pompa sarà influenzata da quella esterna.

Non appena supera il foro, la pompa avrà aria a sufficienza per raggiungere la pressione necessaria allo scarico ed evitare quindi che il vapore acqueo si condensi.

La paletta ha quasi terminato il suo giro, la pressione è ormai sufficiente per aprire le valvole grazie all’apporto dell’aria del gas ballast.

In questo caso la percentuale di gas rispetto al vapore acqueo è molto maggiore e quindi sufficiente a creare una pressione superiore a quella estera e quindi scaricare aria vapore acqueo. Con il gas ballast le valvole aprono molto prima e evitano così la formazione di condensa all’interno della pompa.

Il ciclo sta giungendo al termine e la pompa scarica gas e vapore acqueo.

Prevenire la formazione di condensa nelle pompe da vuoto

In alcuni processi produttivi, quando si aspirano gas corrosivi, il gas ballast viene utilizzato anche per iniettare all’interno della pompa dei gas inerti, in particolare modo azoto gassoso o argon, che diluendo la miscela, prevengono danni ai cuscinetti e alle parti meccaniche così come al lubrificante. In questi casi spesso si utilizzano anche lubrificanti sintetici che non reagiscono con i gas pompati.

Prevenire la formazione di condensa è buona norma quando si è certi che la quantità di vapore acqueo aspirato dal processo, è ad un livello importante. Si rende in questo caso necessario, accendere la pompa almeno 20-30 minuti prima dell’inizio del processo di evacuazione tenendo il gas ballast aperto. Questo garantisce che la pompa raggiunga la giusta temperatura di lavoro e che non offra quindi ai vapori condensabili, delle superfici fredde che accelerano il processo di condensazione.

E’ altresì consigliabile, alla fine del processo, lasciare la pompa accesa con il gas ballast aperto per un tempo di almeno 30-40 minuti, per ripulire il lubrificante da vapori condensati che, inevitabilmente, saranno presenti specialmente quando si lavora con processi particolarmente umidi.

In alcune pompe, il gas ballast può essere anche potenziato, o addirittura raddoppiato.

Svantaggi del Gas Ballast

Come spiegato, il gas ballast consiste nel far entrare all’interno della pompa una quantità di aria o gas inerte per le ragioni precedentemente spiegate.

Ovviamente questo fatto porta delle conseguenze sul valore di vuoto che la pompa può raggiungere.

La tolleranza statore rotore, che per ovvi motivi non può essere nulla, guardando il disegno si comprende che è a tutti gli effetti un by-pass tra la bocca di aspirazione e la bocca di scarico.

Queste due porte sono sempre a pressioni diverse e minore è la pressione in camera, dove si sta facendo il vuoto, maggiore sarà il ∆p tra i due.

E’ quindi lecito pensare che possa esistere una perdita interna alla pompa che fa passare aria dalla parte in comunicazione con le valvole di scarico e la parte connessa alla camera da vuoto.

In questo punto poi, si ha il ∆p massimo come conseguenza della compressione del gas quando ci si avvicina alla fase di scarico.

In pratica in alcuni modelli di pompe, questo problema viene attenuato con una diversa lavorazione meccanica dello statore che non tratteremo in una diversa presentazione.

Testi Utilizzati

–  Fundamentals of Vacuum Technology

  revised and compiled by   Dr. Walter Umrath

Whit contribution from:

Dr. Hermann Adam †, Alfred Bolz, Hermann Boy, Heinz Dohmen, Karl Gogol, Dr. Wolfgang Jorisch, Walter Mönning, Dr. Hans-Jürgen Mundinger, Hans-Dieter Otten, Willi Scheer, Helmut Seiger, Dr. Wolfgang Schwarz, Klaus Stepputat, DieterUrban, Heinz-Josef Wirtzfeld, Heinz-Joachim Zenker

–  The Vacuum Technology Book Pfeiffer Vacuum

VIDEO POMPA A PALETTE LUBRIFICATA