Published on 1/26/2017
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Pompe rotative per forni ad alto vuoto: facciamo chiarezza #1

Pompe rotative per forni ad alto vuoto: facciamo chiarezza #1

In questo articolo troverete alcuni suggerimenti che vi saranno utili nelle scelta del sistema di pompaggio, con un occhio di riguardo alla riduzione dei costi energetici. In particolare, andrò ad esplorare il tema del funzionamento della pompa rotativa nei forni ad alto vuoto. In questa prima parte dell’articolo, andremo a vedere quali pressioni possono essere raggiunte nel sistema di alto vuoto e le varie tipologie di pompe che si possono scegliere con tutti i loro pro e contro. Nella seconda parte dell’articolo, invece, andremo ad analizzare nel dettaglio il funzionamento della pompa rotativa.

Che cosa significa “alto vuoto”?

Come noto, il vuoto limite richiesto nei forni a vuoto è in funzione del processo e dei materiali impiegati nel trattamento termico della carica. Vuoto limite è il valore della pressione che teoricamente è raggiungibile nel forno quando questo sia freddo, scarico e pulito.

Nei trattamenti termici convenzionali il vuoto limite viene ritenuto sufficiente quando si possa raggiungere una pressione nel campo di 1E-2 Pa.

Negli impieghi industriali più severi, dove la carica corre il rischio di essere contaminata da tracce di ossigeno o di altri gas residui, il sistema di pompaggio deve poter raggiungere vuoti operativi nel campo di 1E-4 Pa.

Infine nei forni da laboratorio o per impieghi nel settore della ricerca o del nucleare, il sistema di pompaggio e tutto il sistema in vuoto deve avere caratteristiche tali, che sia concesso raggiungere pressioni ancora inferiori. Si parla allora di ultra-alto vuoto (UHV).

Come funziona la pompa rotativa di un forno ad alto vuoto?

La pompa rotativa è il componente che dà innesco alle altre pompe in serie sulla linea di vuoto, evacuando il sistema fino al raggiungimento di un livello della pressione alla quale può essere azionata una pompa booster (detta roots a lobi) e successivamente, quando sia raggiunta la pressione, che ne autorizza l’impiego, altri tipi di pompe come pompe a diffusione, turbomolecolari, criogeniche, ioniche, ecc.

Il sistema di pompaggio è dimensionato, per la portata, in funzione del volume dell’impianto, della velocità del ciclo di pompaggio, del degasaggio della carica e della contaminazione prodotta dalla carica (vapori, polveri, leganti, ecc.) nella pompa stessa. Per tale fatto anche la resistenza meccanica ed alla usura influiscono nella scelta del tipo di pompa.

Una prima scelta riguarda la decisione di adoperare una pompa a palette o una pompa a pistone rotante.

Pompe da vuoto a palette: il principio di funzionamento

Le pompe a palette bistadio o monostadio sono pompe lubrificate e raffreddate (aria o acqua).

Le pompe a palette bistadio sono in genere di portata limitata; con queste è possibile raggiungere vuoti molto spinti misurando la pressione ultima sulla flangia di aspirazione. L’olio ha una funzione di lubrificazione ridotta (portata del flusso lubrificante minima) ad evitare di ritrasferire i gas disciolti nell’olio dalla vasca dell’olio alla aspirazione.

In queste pompe, oltre alla capacità di raggiungere vuoti spinti, è importante valutare una seconda caratteristica che è quella di resistenza alla zavorra. Questa misura viene fatta con lo zavorratore completamente aperto e deve avere valori prossimi al vuoto limite (pressione non più alta di una decade). La resistenza alla zavorra dà la misura della capacità della pompa di rimuovere i contaminanti quali il vapore acqueo, vapori di solventi, altri contaminanti pompati dalla camera di vuoto che potrebbero saturarla. La presenza di vapori condensati nell’olio causa una rapida riduzione del vuoto ottenibile. La condensazione dei vapori nell’olio della pompa è una conseguenza dell’alto rapporto di compressione della pompa, necessario per scaricare contro la pressione atmosferica con un rapporto di compressione nel campo di 1E5 - 1E7. Esistono prove di laboratorio dove si sono raggiunti valori di vuoto nel campo di 1E-2 Pa per tali tipi di pompe.

L’operazione di decontaminazione di una pompa satura di vapori avviene con l’apertura della valvola detta di “gas ballast” normalmente incorporata nella pompa stessa. Questa permette l’introduzione di aria o azoto, nel caso di smaltimento di vapori incendiabili, nel vano tra palettaggio in rotazione e lo statore, alzandone la pressione interna. Attraverso questa iniezione di gas (aria o azoto) il rapporto di compressione si riduce di circa 1 decimo e come risultato di questa operazione la pompa è capace di rimuovere i vapori dal sistema anche a partire da un valore di pressione parziale massima di 30 mbar.

Ma andiamo ora a vedere le pompe da vuoto a palette monostadio. Quali sono le caratteristiche peculiari di questa tipologia di pompa? E quali, invece, le caratteristiche delle pompe a pistone rotante? Che dire poi delle pompe a secco, in quali circostanze dovrebbero essere usate?

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Pompa a palette monostadio e pompa bistadio: pro e contro

Esiste poi un tipo di pompe da vuoto a palette monostadio lubrificate di grande portata, nelle quali l’olio di lubrificazione ha una funzione non secondaria e che consiste nel trasferire il calore, provocato dalla compressione, in uno scambiatore olio-acqua o olio-aria. Questo tipo di pompa è una soluzione valida per ambienti da evacuare di grande volume, anche se il vuoto limite non raggiunge i valori delle pompe bistadio.

Il limitato vuoto finale è dovuto alla grande quantità di olio circolato, che tende a trattenere sciogliendoli gas e vapori; questi vaporizzano ritornando alla aspirazione della pompa. Tuttavia esiste un effetto positivo dovuto invece all’alta temperatura della pompa e dell’olio, per cui difficilmente la pompa si contamina per effetto dei vapori condensabili, che vengono smaltiti.

Tutte le pompe da vuoto a palette non hanno una lunga vita se vengono aspirate polveri o piccoli particolari solidi. Infatti le palette oggi non sono più metalliche ma realizzate in composito di cotone e resina fenolica.

Pompe a pistone rotante e pompe rotative a secco: pro e contro

Le pompe a pistone rotante, sia monostadio che bistadio, hanno una maggiore affinità con le pompe a palette di piccola portata, dal punto di vista del livello di vuoto raggiungibile. Le pompe a pistone rotante, mostrano una elevata capacità di resistere alla usura e trovano ancora un grande impiego malgrado un prezzo più elevato.

Vi sono infine le pompe rotative a secco. Sono pompe non lubrificate, con evidenti vantaggi poiché la manutenzione è drasticamente ridotta e nullo lo smaltimento di olio esausto. Altro fattore di sicuro interesse per l’utilizzatore è il consumo di energia che è ben inferiore se paragonato a quello delle analoghe pompe lubrificate. Questi argomenti sono determinanti per orientare la scelta su un prodotto che ha un prezzo molto elevato, ma ampiamente compensato dalla riduzione dei costi di esercizio.

Tuttavia la pompa rotativa a secco sembra essere delicata, stante i giochi ridotti tra statore e rotore. Inoltre è calda e rumorosa. È sempre richiesto di installare un silenziatore allo scarico. Anche il forno ad essa collegato deve essere “pulito”. È in genere da evitarne l’impiego in impianti o processi “sporchi” o particolarmente inquinanti. Tuttavia questo deve essere valutato caso per caso: in alcuni processi, il fatto che la pompa sia a secco può addirittura consentire di lavarla periodicamente per rimuovere eventuali contaminanti.

Dopo questo excursus sulle diverse tipologie di pompe da vuoto, siamo pronti per affrontare la seconda parte del nostro articolo che tratta nel dettaglio gli aspetti del funzionamento della pompa rotativa.

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