Contributo tecnicoDalla pressione atmosferica al vuoto

Nell'industria alimentare, farmaceutica, chimica, automobilistica, metallurgica o nell'ingegneria di processo: in molti settori dell'industria, la maggior parte dei vari processi di produzione richiede che i gas utilizzati presentino una pressione molto al di sotto di quella atmosferica. Una pressione di -700 mbar (300 mbar ass.) è considerata pressione negativa. Il vuoto, ovvero la pressione al di sotto dei 300 mbar assoluti, si suddivide in basso, medio, alto e ultra (vedere grafico). 

Nella tecnologia del vuoto le pressioni assolute si misurano in millibar (mbar). Assoluto significa che i valori si riferiscono al vuoto assoluto. Il vuoto assoluto è pari a una pressione di 0,0000 mbar assoluti.  Nella tecnologia del vuoto, la pressione assoluta è sempre espressa in modo tale che, normalmente, l'apposizione di “ass.” possa essere eliminata.
Negli impianti, il vuoto basso, medio e alto può essere ottenuto con gruppi di pompe in serie. Questi gruppi sono composti da almeno due stadi. Le pompe da vuoto primarie e i booster HV a lobi operano in sinergia. Aerzener Maschinenfabrik GmbH costruisce soffiatori a lobi fin dal 1868 e booster a lobi per vuoto dal 1940. Pertanto, AERZEN non è solo uno dei pionieri di questa tecnologia. Oggi l'azienda è un produttore leader a livello mondiale che vanta un'ampia gamma di soffiatori per vuoto e alto vuoto. Questo successo nasce dalla competenza tecnica, da una produzione di elevata precisione, da un continuo sviluppo tecnico del prodotto, da personale esperto e da un continuo e intenso dialogo con i propri clienti. Per il vuoto fino a 500 mbar ass. AERZEN fornisce soffiatori a lobi della serie Delta Blower G5. Anche la nuova serie di compressori a lobi Delta Hybrid è in grado di generare vuoto fino a 300 mbar ass. Per ottenere un vuoto fino a 500 mbar ass. e fino a 300 mbar ass. è necessario un singolo stadio.

Interazione della pompa primaria da vuoto e del booster HV per alto vuoto a lobi

Ad ogni modo, il vuoto al di sotto dei 300 mbar ass. può essere ottenuto solo con due stadi, avvalendosi di un gruppo che prevede l'utilizzo combinato di una pompa primaria da vuoto e di un booster HV per alto vuoto a lobi. In questo modo, la portata richiesta, il cosiddetto punto operativo, viene raggiunto. Nel primo stadio, la pompa ausiliaria riduce la pressione all'interno di un serbatoio o di un impianto fino a un valore ad es. di 200 mbar ass. Successivamente, il secondo stadio, il soffiatore a lobi per vuoto si avvia e raggiunge, in combinazione con la pompa ausiliaria da vuoto, il vuoto finale richiesto e la portata necessaria. L'utilizzatore futuro dell'impianto a vuoto (ad es. un'acciaieria in Cina) richiede al costruttore del gruppo da vuoto (ad es. un costruttore di impianti tedesco) tutti i parametri principali di funzionamento dell'impianto:

  • Le dimensioni dell'impianto o del serbatoio da mettere in vuoto,
  • Il vuoto massimo richiesto (il cosiddetto punto operativo), la portata necessaria e
  • Il tempo massimo di svuotamento.

Sulla base di questi dati, il costruttore del gruppo da vuoto sceglie la combinazione della pompa ausiliaria e del soffiatore per vuoto in collaborazione con AERZEN.


Una collaborazione intensa

Come pompa ausiliaria, a seconda del tipo di applicazione, possono essere impiegate pompe per vuoto ad anello liquido, pompe con saracinesca a palette lubrificate a olio o pompe ad aspi rotanti regolabili per gas neutri. In applicazioni che richiedono un elevato livello di qualità, come ad es. nell'industria chimica, potrebbe rivelarsi necessario l'impiego di pompe a vite. In quanto azienda specializzata, con molti anni di esperienza, AERZEN dispone di una vasta documentazione sulle prestazioni di tutte le pompe primarie da vuoto e consiglia il costruttore del gruppo da vuoto aiutandolo a scegliere, in stretta collaborazione, il soffiatore a lobi per vuoto AERZEN più adatto. Per rispettare i parametri richiesti dall'operatore del gruppo da vuoto, la pompa ausiliaria da vuoto e i soffiatori per vuoto AERZEN devono essere abbinati energeticamente e termicamente in modo ottimale.

La Figura 1 mostra, secondo un calcolo teorico, l'interazione tra la pompa ausiliaria (linea arancione) e un soffiatore per vuoto serie GMa (linea verde) come gruppo a due stadi. Tuttavia, per ridurre il tempo di pompaggio, è possibile utilizzare soluzioni a più stadi costituite da una pompa ausiliaria seguita da una serie di soffiatori per vuoto. Sull'asse X figurano i range di pressione della pompa ausiliaria e del soffiatore per vuoto, sull'asse Y le portate. In questo esempio, la pompa ausiliaria si avvia inizialmente da sola. Quando viene raggiunto un grado di vuoto di 200 mbar ass., interviene soffiatore per vuoto AERZEN. Fino al punto operativo di 1 mbar, la curva verde aumenta notevolmente. Nel suo punto operativo, la portata volumetrica del gruppo è di circa 1.750 m³/h. I due range di pressione critici dal punto di vista termico possono essere corretti modificando i parametri nel programma di progettazione, in modo tale che la combinazione della pompa ausiliaria e del soffiatore per vuoto AERZEN raggiunga il punto operativo (1 mbar nell'esempio) senza problemi.

Basandosi su questa procedura, osservando i limiti termici e utilizzando la migliore combinazione possibile tra pompa ausiliaria e soffiatore per vuoto, il costruttore del gruppo e AERZEN sono in grado di raggiungere i parametri fissati dal cliente finale. AERZEN offre...

per il range di vuoto da 300 a 10 mbar

  • Soffiatori per vuoto con raffreddamento preingresso serie ... mHV,

per il range di vuoto da 200 a 10-3 mbar (0,001 mbar)

  • Soffiatori per vuoto serie HV,

 per il range di vuoto da 200 a 10-5 mbar (0,00001 mbar)

  • Soffiatori con motore incapsulato per vuoto (cosiddetti canned motor), serie CM e HM.

La scelta della miglior combinazione di pompa ausiliaria e soffiatore per vuoto garantisce un gruppo da vuoto economico e in grado di soddisfare le richieste del cliente per lungo tempo e con la massima efficienza.


Soffiatori per vuoto con raffreddamento preingresso (range di vuoto da 300 a 10 mbar)

AERZEN fornisce soffiatori per vuoto con raffreddamento preingresso (i cosiddetti soffiatori con preingresso) serie mHV in 11 grandezze per portate nominali teoriche in ingresso da 250 a 61.000 m³/h. La pressione differenziale massima ammissibile dipende dal carico termico generato. I soffiatori con preingresso vengono utilizzati prevalentemente nel range di basso vuoto e di pressione negativa come pompa ausiliaria da vuoto o nello stadio di vuoto contro l'atmosfera, per raggiungere pressioni differenziali elevate in un unico stadio, e per elevati rapporti di compressione nel range di basso vuoto fino a p2/p1 = 5. I soffiatori con preingresso serie mHV vengono utilizzati preferibilmente per necessità di funzionamento continuo senza problemi di surriscaldamento. A questo scopo, l'aria atmosferica o il gas già raffreddato vengono immessi direttamente nella camera di compressione, sul lato mandata, senza regolazione o valvole aggiuntive, attraverso un terzo canale laterale. Quando viene utilizzato gas ricircolato, questo viene preventivamente raffreddato da uno scambiatore gas-aria o gas-acqua, installato tra la pompa ausiliaria e il soffiatore con preingresso. I soffiatori con preingresso hanno flange con guarnizioni O-ring e un sistema di lubrificazione a sbattimento che assicura la fornitura ai soffiatori per vuoto del raffreddamento preingresso con lubrificante. I soffiatori sono azionati da un motore ad accoppiamento diretto o da un ingranaggio a ruote dentate cilindriche, azionabili con trasmissione a cinghie in caso di pressione differenziale non elevata. La camera di pompaggio è a tenuta grazie a un labirinto di guarnizioni ad anello, mentre l'albero di trasmissione è predisposto con due guarnizioni radiali con barriera d'olio.


I soffiatori per medio vuoto hanno un range compreso tra 200 e 10-3 mbar

I soffiatori raffreddati ad aria della serie HV per un vuoto da 200 a 10-3 mbar sono disponibili in 12 dimensioni per capacità di aspirazione nominale da 180 a 97.000 m³/h (velocità da 3.000 a 3.600 giri/min). Nella variante GMa operano con flusso in senso verticale; la variante GLa con il flusso in senso orizzontale permette di ottenere un impianto particolarmente compatto. Entrambe le varianti costruttive vengono utilizzate, insieme ad altre, nei processi di rivestimento, nell'ingegneria chimica e di processo, nel settore metallurgico, nell'industria degli imballaggi, nelle centrali per vuoto, nei sistemi di compressione dell'elio e di rilevamento delle perdite a elio, nella produzione di lampade, tubi, pannelli solari e nell'industria automobilistica. Per applicazioni particolari, è possibile utilizzare tenute speciali per soffiatori raffreddati ad aria e con lubrificazione a sbattimento e versioni in materiali speciali, ad esempio per parti fuse e
rotori a lobi.

Grazie all'azionamento standard con motori di tipo IE 3, i soffiatori lavorano con la massima efficienza energetica e possono essere utilizzati in molti mercati, tra cui Stati Uniti, Canada e Russia. Inoltre sono adatti all'uso con inverter. I motori sono flangiati direttamente ai soffiatori. Una speciale tenuta a labirinto con guarnizioni ad anello impedisce all'olio di passare dalle camere dei cuscinetti alla camera di pompaggio. Inoltre è presente una camera neutra di ampie dimensioni con canali di raccolta della condensa. Per ottenere una migliore tenuta, è possibile pressurizzare la camera neutra con gas di sbarramento. Esclusivamente e su richiesta, i soffiatori per vuoto serie HV possono essere prodotti conformemente ad ATEX 94/9/CE. Offrono una resistenza a colpo d'ariete da esplosione fino a 13 bar, operano senza regolazione bypass e sono gli unici soffiatori per vuoto omologati per la zona 0 (internamente) ed esternamente per la classe di temperatura T4. Per una maggiore sicurezza di processo è possibile disattivare l'opzione di monitoraggio al di sotto dei 50 mbar.


Soffiatori con motore incapsulato per range alto vuoto da 200 a 10-5 mbar

I soffiatori con motore incapsulato serie CM (per gas aggressivi) e HM (per gas neutri), adatti al funzionamento continuo, permettono di ottenere tempi di pompaggio particolarmente brevi e vengono utilizzati nella tecnologia dell'alto vuoto industriale nel vuoto tra 200 e 10-5 mbar. Questi soffiatori operano con trasmissione a tenuta ermetica: l'albero di trasmissione è isolato da un motore incapsulato integrato senza contatto con l'atmosfera esterna. Essendo il numero di giri, compreso tra 6.000 e 7.200, pari a quasi il doppio, a parità di dimensioni, si ottengono cicli di pompaggio molto brevi, dell'ordine di secondi, con conseguente notevole accelerazione dei processi produttivi per l'operatore. Sebbene due pompe ausiliarie di vuoto e un soffiatore con motore incapsulato vengano installati nel medesimo gruppo per ottenere l'aumento delle prestazioni, il sistema rimane compatto: un vantaggio importante quando l'impianto richiede numerosi gruppi da vuoto. I soffiatori AERZEN con motore incapsulato sono disponibili

nella versione CM per gas corrosivi

  • in 14 grandezze per capacità di aspirazione nominale da 110 a 15.340 m³/h.

nella versione HM per gas neutri

  • in 9 grandezze per capacità di aspirazione nominale da 406 a 15.570 m³/h.

Questi sistemi vengono utilizzati per la creazione del vuoto industriale, ad es. nell'ingegneria chimica e di processo, nella metallizzazione, per l'evacuazione dell'idrogeno, negli impianti di rilevamento delle perdite a elio e in qualsiasi situazione in cui le perdite devono essere assolutamente nulle. Inoltre, questi soffiatori operano nell'industria dei semiconduttori, nella microelettronica, nella produzione di schermi piatti, nelle tecnologie laser e solari. I soffiatori sono disponibili con flussi in due direzioni: verticale e orizzontale. Considerato il raffreddamento ad acqua, sono adatti all'uso anche in camera bianca. Un'eccellente resistenza meccanica alla pressione differenziale (fino a 230 mbar) riduce i tempi di pompaggio. Utilizzando un inverter è possibile ottenere un elevato controllo sulla portata (1:5) e quindi impiegare soffiatori di grandezze minori. Grazie alle diverse varianti del motore, per il funzionamento ciclico e continuo, è sempre possibile trovare la soluzione più adeguata, anche in caso di applicazioni speciali.


Riepilogo

Per la progettazione ottimale di un gruppo per la generazione del vuoto non esistono soluzioni “a catalogo”: i parametri di funzionamento della pompa ausiliaria e del soffiatore a lobi da vuoto devono essere abbinati alla perfezione. Solo così il gruppo da vuoto fornirà i valori necessari al cliente e raggiungerà il punto operativo richiesto. Proprio per questo, la soluzione ottimale può essere ottenuta solo grazie all'intensa collaborazione tra AERZEN, come fornitore del soffiatore per vuoto richiesto, e il costruttore del gruppo di pompaggio, che acquista la pompa ausiliaria e il soffiatore per vuoto da fornitori esterni. Grazie all'utilizzo del software, AERZEN verifica la combinazione costituita dalla pompa ausiliaria e dal soffiatore per vuoto AERZEN, progettata o richiesta dal costruttore del gruppo. "Prestiamo particolare attenzione a evitare range di pressione termici critici e a fornire i rapporti di compressione adeguati sul piano energetico." Per AERZEN vale questo principio di massima: "forniamo al produttore del gruppo di pompaggio la nostra consulenza non solo sull'applicazione del processo di vuoto ma anche sulla combinazione ottimale dell'intero gruppo di pompaggio."

Autore: Norbert Barlmeyer, giornalista specializzato nella tecnologia dell'aria compressa, Bielefeld