Dispensa 4 pompe eiezione

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Dispensa 4 pompe eiezione

  1. 1. -- Università degli Studi di Padova Corso di Laurea in Scienza dei Materiali Modulo di “Tecniche Vuoto e film sottili” Dispensa 4 Pompe a Fluido Motore Prof. V. Palmieri 1
  2. 2. Pompe a fluido motore Nelle pompe a fluido motore, è sempre presente _____________________________ ________________ che, nel suo rapido movimento trascina con sé _______________ ______________________________________ • scaricandole nell‟atmosfera esterna • comprimendole verso una zona dalla quale vengono ____________________ __________________________________ ________________________________. ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ _____________________________________ Esistono diversi tipi di pompe a fluido motore, sia nel campo dei bassi e medi vuoti che nel campo degli ultra-vuoti Prof. V. Palmieri 2
  3. 3. Pompe a eiezione Quando un _____________________________________________ ________________________________________ viene fatto passare a elevata velocità nella camera (1) (collegata al sistema da vuoto) attraverso l'ugello (2), esso si espande e acquista velocità in relazione alla geometria dell'ugello e alla caduta di pressione subita. Il flusso di fluido risulta così possedere velocità tale da dare luogo ad un elevato trasferimento di ____________________________ tra le particelle di fluido e le molecole del gas da pompare con velocità nella direzione del moto del fluido. Le molecole di gas vengono perciò trascinate dal fluido verso il diffusore (3) dove il Prof. V. Palmieri compresso e scaricato gas viene 3 ______________________________________________________ .
  4. 4. Il fluido motore viene a questo punto condensato e recuperato nell„ ___________________ donde viene nuovamente vaporizzato e rimesso in ciclo, se si tratta di vapore di olio, di mercurio o di acqua. Se il fluido motore è costituito da acqua liquida esso viene scaricato direttamente nell'atmosfera, evitando così l'uso ________________________________________. Anche se come fluido motore si usa vapore d'acqua avviene spesso lo scarico direttamente nell'atmosfera. Se il fluido motore è invece costituito da vapori di olio o di mercurio, la pompa a eiezione richiede sempre una pompa preliminare per ovvie ragioni di costo, sicurezza e reattività del fluido con l'atmosfera esterna. Il rapporto v/u = Ma è detto numero di Mach; ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________4 Prof. V. Palmieri
  5. 5. Pompe ad eiezione operano generalmente a 1,98 Mach Nelle pompe a eiezione a ________che scaricano direttamente nell‟atmosfera, si può arrivare a 3 Mach. Se si dispongono più pompe a eiezione in serie si può arrivare fino a (9 ÷ 11) Mach. Si possono produrre vuoti dell'ordine di (10 ÷ 1) Pa, se si usa vapore d'acqua, e fino a 10-2 se si usano vapori di olio o mercurio. Quando la pressione diminuisce, il libero cammino medio delle molecole gassose cresce e i ________________ diventano sempre più deboli e pertanto il trascinamento del gas è sempre più dovuto alla sua diffusione nel getto di fluido; In queste condizioni diventa però difficile per il fluido ________________________ le molecole del gas e si raggiunge perciò un limite nella capacità delle pompe a eiezione di asportare gas. Prof. V. Palmieri 5
  6. 6. Se si vuole migliorare il vuoto finale raggiungibile occorre aumentare la probabilità di cattura delle molecole di gas da parte dei vapori utilizzando una struttura diversa rispetto a quella usata nelle pompe a eiezione. Le pompe a eiezione sono particolarmente usate in impianti industriali ove si richiedono _____________________ e sono in gioco ___________________________da pompare. Le pompe a eiezione utilizzanti acqua o vapore d'acqua possono essere anche usate come pompe preliminari, con il vantaggio di non introdurre idrocarburi nel sistema da vuoto. Prof. V. Palmieri 6
  7. 7. Pompe a diffusione (vuoti dell'ordine di 10-7 Pa - 10-8 Pa). Sul fondo della pompa (ebollitore) si trova il fluido motore (1) (olio o Hg) il quale viene riscaldato mediante un opportuno fornello elettrico (2) in modo che i vapori prodotti salgano lungo il camino (3) verso l'ugello (4) attraverso il quale escono "a ombrello" 7con Prof. V. Palmieri grande velocità (supersonica).
  8. 8. Il gas da pompare, che penetra nella pompa attraverso l'imboccatura, viene così trascinato e compresso dai vapori verso la parte inferiore della pompa dove è disposta l'apertura di scarico, collegata a ____________________________ che provvede a trasferire il gas nell'atmosfera esterna. I vapori di gas che lasciano l'ugello e urtano le pareti della pompa vengono _______________ per effetto del raffreddamento delle pareti della pompa, ottenuto, per esempio, mediante una camicia a circolazione d'acqua. I vapori condensati scivolano verso _________________ della pompa dove avviene di nuovo il riscaldamento e ricomincia così il ciclo. Prof. V. Palmieri 8
  9. 9. Le pompe a diffusione necessitano sempre di _________________________________ che sia in grado di ridurre la pressione nel sistema da vuoto a (10 ÷ 1) Pa poiché a pressioni maggiori la distribuzione del getto di vapore all'uscita dell'ugello viene alterata dal gas e la velocità di pompaggio della pompa a diffusione decresce sensibilmente fino a diventare praticamente nulla. Inoltre, se le pompe a diffusione vengono fatte operare a pressioni relativamente elevate, i fluidi usati _________________________________, alla temperatura di funzionamento della pompa, con il gas da pompare: si ha così un più o meno rapido deterioramento del fluido motore e quindi del funzionamento della pompa stessa. Prof. V. Palmieri 9
  10. 10. Sono tipiche le incrostazioni dovute a questa ragione, che si manifestano nelle pompe a diffusione di olio che hanno lavorato troppo tempo a pressioni relativamente alte ( 10Pa) o dopo __________________________________. Le pompe a diffusione operano, quindi, generalmente in condizione di regime _____________________________ . In queste condizioni il numero massimo di molecole che per unita di tempo possono penetrare nella pompa è proporzionale all'area della sezione d‟imbocco della pompa stessa (di raggio r). Se tutte queste molecole venissero catturate dal getto di vapori ed eliminate attraverso la pompa preliminare la velocità di pompaggio della pompa a diffusione sarebbe la massima possibile, ovvero corrisponderebbe alla velocità di pompaggio teorica (St). Prof. V. Palmieri 10
  11. 11. In pratica non tutte le molecole che per unità di tempo attraversano la sezione circolare di area r2 sono catturate dal getto di vapore, bensì solo una frazione, in genere compresa tra il __________________________ . Le altre molecole ritornano verso la zona da evacuare. Il rapporto tra il numero di molecole che vengono catturate e pompate e quello totale delle molecole che attraversano la sezione d'imbocco ovvero il rapporto tra la velocità di pompaggio reale S della pompa e quella teorica S, è denominato fattore HO ed è solitamente indicato come parametro caratterizzante _________________________________ ______________________________________________. La velocità di pompaggio reale S di una pompa a diffusione, oltre che dalle dimensioni dell'ugello e del corpo della pompa, dipende dalla massa molecolare del gas da pompare, dalla geometria dell'ugello, dalla tensione di vapore dell'olio, della pressione preliminare (pressione nella camera prima del V. Palmieri Prof. collegamento alla pompa a 11 diffusione).
  12. 12. La velocità di pompaggio reale S di una pompa a diffusione, oltre che dalle dimensioni dell'ugello e del corpo della pompa, dipende dalla massa molecolare del gas da pompare, dalla geometria dell'ugello, dalla tensione di vapore dell'olio, della pressione preliminare (pressione nella camera prima del collegamento alla pompa a diffusione). Essenzialmente a causa della tensione di vapore del fluido motore e della degassazione prodotta dalle parti calde della pompa. Per raggiungere i vuoti più spinti è necessario utilizzare opportune trappole di vapori Prof. V. Palmieri 12
  13. 13. La velocità di pompaggio è maggiore per i gas leggeri che per quelli pesanti e per esempio per i gas più leggeri (He e H2) essa risulta solitamente superiore del 10% ÷ 20% rispetto all'aria. Alcune volte si manifestano _____________________ _____________________________, le cui cause possono essere interne alla pompa oppure esterne. Le cause interne di instabilità sono essenzialmente legate: 1) a ebollizione irregolare: 2) all'ebollizione del fluido motore al di fuori dell'ebollitore; 3) alla presenza di goccioline di fluido motore nell'ugello; 4) a perdite in prossimità dell'ebollitore. Le cause esterne sono invece spesso legate: 1) a bolle di gas originate dalle guarnizioni di tenuta; 2) a caduta di goccioline di fluido condensato nelle trappole di vapori; 3) all'elevata pressione preliminare; 4) alla diminuzione di livello del liquido refrigerante usato nelle trappole. Prof. V. Palmieri 13
  14. 14. Per rendere elevato il fattore HO, e quindi la velocità di pompaggio di una pompa a diffusione, viene in pratica realizzata una disposizione a più ___________________ (in genere fino a 4) Pompa a diffusione a più __________________ stadi. __________________ __________________ 1. Riscaldatore, __________________ 2. Ebollitore, __________________ 3. Corpo della pompa, 4.Serpentine di raffreddamento, 5. Flangia di connessione al sistema da vuoto, 6. Molecola di gas, 7. Getto di vapore, 8. Tubo di collegamento al vuoto preliminare. A ÷ D Ugelli. __________________ __________________ __________________ __________________ __________________ Prof. V. Palmieri 14
  15. 15. Una disposizione più raffinata studiata da Hablanian e che migliora il fattore HO, a parità di altre condizioni, rispetto alla pompa a corpo cilindrico è quella m cui il corpo della pompa assume una __________________________a livello del 1° stadio Prof. V. Palmieri 15
  16. 16. ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ ______________________________________ Prof. V. Palmieri 16 ______________________________________
  17. 17. Prof. V. Palmieri 17
  18. 18. Prof. V. Palmieri 18
  19. 19. Prof. V. Palmieri 19
  20. 20. Prof. V. Palmieri 20
  21. 21. Prof. V. Palmieri 21
  22. 22. Prof. V. Palmieri 22
  23. 23. Fluidi motore Come fluidi motore per pompe a diffusione sono generalmente usati oli appositi (a ______________________________________) e talvolta anche mercurio. La scelta del fluido motore deve essere effettuata in base alla pressione limite che si desidera ottenere, alla resistenza, alla __________________________________, all'inerzia chimica rispetto ai gas da pompare, alla composizione ammessa del gas residuo (privo o meno di tracce di idrocarburi). Il mercurio è un fluido motore che è utile in applicazioni particolari; esso infatti non "inquina" il sistema con idrocarburi e permette quindi di ottenere "vuoti puliti". Inoltre il mercurio non si decompone durante l'evaporazione e non si ossida fortemente in caso di ______________________. Prof. V. Palmieri 23
  24. 24. Il Mercurio presenta i seguenti seri inconvenienti: 1) una tensione di vapore relativamente alta ( 10- 1 Pa a temperatura ambiente) per cui è sempre richiesto l'uso di opportune trappole di vapori raffreddate alla temperatura dell'azoto liquido; 2) nocività per la salute per cui richiede particolare cura; 3) incompatibilità con alcuni materiali strutturali (oro, rame, iridio, alluminio, ecc.) con il rischio di formazione di amalgama. In conseguenza degli inconvenienti presentati dal mercurio, come fluido motore, si preferisce normalmente usare oli speciali. L'uso del mercurio viene perciò di solito riservato ad applicazioni particolari in cui sono richiesti vuoti esenti Prof. V. Palmieri da idrocarburi. 24
  25. 25. Attualmente sono disponibili diversi tipi di oli la cui scelta è legata al tipo di pompa a diffusione e alla pressione finale che si intende raggiungere. Evidentemente, le pressioni limite più basse sono raggiungibili con oli che presentano bassissime tensioni di vapore. Occorre però anche tenere presente la resistenza termica e chimica che può variare da olio a olio. Prof. V. Palmieri 25
  26. 26. I vantaggi degli oli rispetto al mercurio possono riassumersi come segue: 1) sono disponibili con tensioni di vapore molto basse (pari anche a 7,7 · 10-8 Pa a temperatura ambiente); 2) in molti sistemi da vuoto (medio-alto vuoto) possono essere usati senza che sia necessario adottare trappole per vapori; 3) hanno peso molecolare superiore a quello del mercurio e quindi possono fornire una quantità di moto maggiore alle molecole di gas dando luogo a una elevata velocità di pompaggio; 4) non sono tossici; 5) sono inerti rispetto ai Prof. V. Palmieri normali materiali strutturali usati 26 nei sistemi da vuoto.
  27. 27. Andamento della velocità di pompaggio di una pompa a diffusione (E 04, Edwards) in funzione della pressione, con diversi tipi di oli Prof. V. Palmieri 27
  28. 28. Gli oli presentano però anche qualche inconveniente che è opportuno ricordare: 1) sono costituiti da molecole complesse che si possono decomporre anche nelle normali condizioni di uso e specialmente alle più alte temperature. 2) Si decompongono in presenza di _________ ______________________________________ ___________________________________ _____________________________ e i prodotti di decomposizione possono rendere molto complessa la composizione del gas residuo. Se la decomposizione avviene alla superficie di parti di apparecchiature elettriche si possono avere fenomeni di perdita di isolamento. 3) Si decompongono e reagiscono se esposti, caldi, all'aria. Prof. V. Palmieri 28
  29. 29. Ebollizione e degassamento del fluido motore Affinché la pompa a diffusione presenti un buon funzionamento è necessario che l'ebollizione del fluido motore avvenga in modo uniforme su tutta la superficie ed è perciò talvolta introdotto nella pompa un opportuno agitatore che, azionato dai vapori del fluido, tiene in movimento il fluido stesso nell'ebollitore. Un riscaldamento disuniforme può portare a _______________________________________, specialmente se si opera nel campo degli ultra vuoti. Occorre tenere anche presente che impurezze provenienti dal sistema da vuoto possono giungere alla pompa e mescolarsi al fluido motore oppure possono essere già presenti in esso. Può inoltre avvenire, se si usa olio come fluido motore, che si formino dei prodotti volatili di decomposizione. Prof. V. Palmieri 29
  30. 30. In ogni caso tali impurezze o tali componenti deteriori dell'olio possono peggiorare notevolmente il grado di vuoto finale raggiungibile se non si evita fin dall'inizio che raggiungano il sistema da vuoto. Per eliminare o limitare questo inconveniente, molte pompe sono munite di una "zona di degassazione", compresa nel circuito del fluido motore e attraversata da questo prima di rifluire nell'ebollitore: in questa zona le componenti più volatili delle impurezze vengono eliminate dal fluido e fatte asportare dalla pompa preliminare. Prof. V. Palmieri 30
  31. 31. La degassazione è realizzata mediante un'accurata distribuzione delle temperature nella pompa. Il fluido motore condensato, che rifluisce verso l'ebollitore distribuendosi in una sottile pellicola sulle pareti della pompa, è riscaldato in genere a circa 130 °C al di sotto dell'ultimo stadio inferiore della pompa prima di rientrare nell'ebollitore: le componenti volatili vengono perciò separate dal fluido ed eliminate attraverso la pompa preliminare, prima che possano risalire verso il 1° stadio della pompa e quindi entrare nel sistema da vuoto, come avverrebbe se raggiungessero l'ebollitore insieme al fluido motore. Prof. V. Palmieri 31
  32. 32. Frazionamento dell'olio Quando, come fluido motore, viene utilizzato dell'olio, è opportuno ricordare che esso può essere costituito già dall'inizio da una miscela di componenti a diverso peso molecolare e con diversa volatilità. Queste componenti possono comunque prodursi durante l'uso dell'olio nelle condizioni operative normali. Per eliminare o ridurre il più possibile gli effetti negativi che questi componenti più volatili possono, ovviamente, procurare per quanto concerne la pressione finale raggiungibile, sono state realizzate pompe a diffusione particolari, dette a ______________ _____________________________ Pompa a diffusione a _____________________________. 1. Sezione centrale dell'ebollitore, 2. Sezione anulare intermedia, 3. Sezione anulare estema, Prof. V. Palmieri 32 4. Cilindro di sud divisione dell'ebollitore.
  33. 33. In queste pompe, attraverso opportuni passaggi obbligati, l'olio proveniente dalle pareti, dove è condensato dopo l'espansione dagli ugelli, entra prima nella parte più esterna dell'ebollitore, che è collegata allo stadio inferiore: qui evaporano le componenti più volatili che rimangono così nella parte inferiore della pompa e non raggiungono il primo stadio da cui potrebbero invece più facilmente passare nel sistema da vuoto. Nella parte immediatamente più interna dell'ebollitore giunge, invece, l'olio con le componenti un po' meno volatili, che rimangono però confinate nel ________________. E così via. L'olio che giunge nella parte centrale dell'ebollitore, collegata al primo stadio, risulta così continuamente ______________________ dalle componenti più volatili che, come si è già detto, se raggiungono il primo stadio superiore possono rifluire nel sistema da vuoto impedendo il raggiungimento di pressioni limite più basse e Prof. V. Palmieri 33 "inquinando" il sistema con idrocarburi.
  34. 34. Riflusso di vapori e migrazione degli oli Se non vengono adottate speciali precauzioni, una parte del vapore del fluido motore usato nella pompa a diffusione può lasciare la pompa stessa ed entrare nel sistema da vuoto, con evidenti effetti deleteri sulla pressione finale ottenibile. Oltre a questo riflusso di vapori provenienti direttamente dalle pompe, può anche verificarsi una migrazione di olio dalla pompa al sistema da vuoto, per effetto del crearsi di un sottilissimo __________________________________ nelle parti superiori della pompa. Questo sottile strato di olio tende a espandersi lungo le pareti, anche se molto lentamente, fino a giungere nell'ambiente da vuotare. Prof. V. Palmieri 34
  35. 35. Zone di origine del riflusso di vapori nel primo stadio di una pompa a diffusione Per eliminare o ridurre sia il riflusso di vapori sia la migrazione del fluido motore esistono schermi e trappole La sorgente del riflusso è essenzialmente legata all'ugello più alto della pompa, che è in collegamento diretto con il sistema da vuoto Nella figura, che rappresenta un particolare del primo stadio di alcuni vecchi tipi di pompe a diffusione, si noti come il vapore del fluido motore possa filtrare attraverso il dado normalmente usato per fissare il deflettore e passare quindi facilmente nel sistema in cui si deve fare il Prof. V. Palmieri 35 vuoto.
  36. 36. Il getto turbolento di vapore uscente dall'ugello può, inoltre, spingere alcune goccioline o molecole di olio verso la bocca della pompa. Infine il bordo inferiore esterno del deflettore viene bagnato e coperto di fluido che può così evaporare verso il sistema da vuoto (data la temperatura, in genere superiore a 100 °C, a cui si trova l'ugello). L‟ordine di grandezza del riflusso può essere tale da risultare anche intorno a 10-5 g/min per cm2 di superficie della bocca della pompa. Prof. V. Palmieri 36
  37. 37. Con opportune modifiche del primo stadio, si può ridurre sensibilmente 1 ordine di grandezza del riflusso di vapori fino a circa 10-10 g/min per cm2 di superficie della bocca della pompa. Le modifiche consistono essenzialmente nell'eliminare il dado di fissaggio del deflettore, nello schermare superiormente questo deflettore con una superficie raffreddata in modo da avere un bordo ripiegato leggermente verso l'alto. Prof. V. Palmieri 37
  38. 38. Disposizioni del 1° stadio di una pompa a diffusione, atta a ridurre il fenomeno del riflusso di vapori Prof. V. Palmieri 38
  39. 39. Particolari strutture di pompe a diffusione (per es. del tipo detto DIFFSTAK; hanno ridotto talmente il riflusso dell'olio (utilizzando inoltre oli a bassissima tensione di vapore, come il Santovac 5) che l'uso di trappole ad azoto liquido può essere evitato pur ottenendo vuoti "puliti" Prof. V. Palmieri 39
  40. 40. Prof. V. Palmieri 40
  41. 41. Prof. V. Palmieri 41
  42. 42. Schermi e trappole di vapori Per raggiungere i vuoti più spinti con pompe che utilizzano un fluido motore (sia olio sia mercurio) occorre impedire o limitare il più possibile sia ____________________________. A tale scopo si introducono schermi e trappole che permettano di raggiungere vuoti dell'ordine di _________anche con pompe a diffusione. Questi dispositivi vengono applicati tra la pompa e il sistema da vuoto e sono realizzati in modo da avere: • sia una elevata efficienza nel bloccaggio di vapori o dell‟olio in migrazione superficiale • sia riducendo il meno possibile la velocità di pompaggio effettiva nel sistema Prof. V. Palmieri 42
  43. 43. Le trappole sono realizzate in modo da impedire un "cammino diretto" di vapori dalla pompa al sistema in cui si deve fare il vuoto e quindi da costringere i vapori a urtare almeno una volta la superficie per farveli condensare sopra; inoltre, data l'estensione e la forma delle superfici interne di queste trappole, si ottiene l'interruzione della migrazione superficiale dell'olio. Prof. V. Palmieri 43
  44. 44. Le trappole possono essere raffreddate mediante circolazione d'acqua oppure per effetto Peltier. Utilizzando l'effetto Peltier si riesce a raffreddare le superfici della trappola fino a circa 30 °C al di sotto del punto caldo; se il punto caldo è raffreddato con acqua, la trappola può essere raffreddata fino a circa –17 °C. Le trappole possono essere "ad anelli concentrici" (Ciascun anello o disco è in contatto termico con il tubo in cui circola il liquido refrigerante) Oppure possono essere "a chevron" poiché sono costituite da tanti piatti a forma di V disposti l'uno dopo l'altro, trasversalmente rispetto all'asse della pompa. Prof. V. Palmieri 44
  45. 45. Tipiche trappole per vapori provenienti da pompe a diffusione Prof. V. Palmieri 45
  46. 46. Schema di un sistema di pompaggio costituito da una pompa a diffusione + rotativa, dotato di trappole per vapori d‟olio. Prof. V. Palmieri 46
  47. 47. Le pressioni nel campo degli ultra-vuoti sono però raggiungibili solo con trappole raffreddate alla temperatura dell'azoto liquido. Le superfici raffreddate alla temperatura dell'azoto liquido permettono una ___________________ _________________________dei vapori e diminuiscono grandemente la tensione di vapore del fluido motore usato. Per mantenere costante il livello dell'azoto liquido in queste trappole ed evitare quindi oscillazioni della pressione limite, si usa spesso un sistema automatico di caricamento dell'azoto liquido. Prof. V. Palmieri 47
  48. 48. Prof. V. Palmieri 48
  49. 49. Prof. V. Palmieri 49
  50. 50. Prof. V. Palmieri 50
  51. 51. Prof. V. Palmieri 51
  52. 52. Esistono trappole che non necessitano di raffreddamento e che utilizzano le proprietà di adsorbimento di materiali come zeoliti o allumine. Su ripiani diversi disposti in successione sono contenuti sferule o cilindretti di allumina o zeolite che permettono di bloccare sia il riflusso di vapori sia la migrazione superficiale dell'olio. Queste trappole hanno una attività che può durare anche diversi giorni; dopo un certo tempo, comunque, il materiale adsorbente usato si satura e deve essere cambiato o rigenerato con un trattamento termico in vuoto o in aria, a temperatura compresa tra 250 °C e 400 °C. Trappole di questo tipo, ma con un riempimento più compatto di materiale adsorbente, sono anche usate per bloccare i vapori di olio delle pompe rotative. Prof. V. Palmieri 52
  53. 53. Prof. V. Palmieri 53

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