Vakuumske pumpе: Tipovi primene i način rada

Vakuum pumpa je uređaj koji uklanja molekule gasa iz zatvorene komore ili spremnika, stvarajući delimičan ili potpuni vakuum. Vakuum pumpe su široko korišćene u različitim industrijskim i istraživačkim oblastima, poput aerokosmike, elektronike, metalurgije, hemije, medicine i biotehnologije. Vakuum pumpe mogu se koristiti za primene poput vakuum pakovanja, vakuum formiranja, vakuum pokrivanja, vakuum sušenja i vakuum filtriranja.

U ovom članku objasniti ćemo šta su vakuum pumpe, kako rade, šta su njihove glavne karakteristike i vrste, te šta su neke od njihovih najčešćih primena.

Šta je vakuum pumpa?

Vakuum pumpa je definisana kao uređaj koji smanjuje pritisak unutar komore ili spremnika uklanjajući molekule gasa iz nje. Nivo vakuuma koji vakuum pumpa može dostići zavisi od nekoliko faktora, poput dizajna pumpe, vrste gasa koji se pumpa, zapremine komore, temperature gasa i stopa propusnosti sistema.

Prva vakuum pumpa je izumljena od strane Otto von Guericke 1650. godine. On je demonstrirao svoj uređaj korišćenjem dve hemisfere koje je ispraznio svojom pumpom i zatim ih spojio zajedno. Pokazao je da čak i timovi konja ne mogu ih razdvojiti zbog atmosferskog pritiska koji na njih deluje. Kasnije, Robert Boyle i Robert Hooke poboljšali su Guerickeov dizajn i izvršili su eksperimente nad osobinama vakuma.

Koji su glavni karakteristici vakuum pumpe?

Postoje tri glavne karakteristike koje karakterišu vakuum pumpu:

• Izlazni pritisak

• Stepen vakuma

• Brzina pumpiranja

Izlazni pritisak

Izlazni pritisak meri se na izlazu pumpe. Može biti jednak ili niži od atmosferskog pritiska. Različite vakuum pumpe su označene za različite izlazne pritiske. Normalno, pumpe za stvaranje visokog vakuma imaju nizak izlazni pritisak. Na primer, za stvaranje veoma visokog vakuma od 10-4 ili 10-7 Torr (jedinica pritiska), potreban je veoma nizak izlazni pritisak pumpe.

Neki visokovakuumski pumpi zahtevaju podsticajnu pumpu kako bi održali nizak izlazni pritisak pre nego što mogu da rade. Podsticajna pumpa može biti druga vrsta vakuum pumpe ili kompresor. Pritisak stvoren od strane podsticajne pumpe naziva se podsticajni pritisak ili predpritisak.

Stepen vakuma

Stepen vakuma je minimalni pritisak koji vakuum pumpa može stvoriti unutar komore ili spremnika. Poznat je i kao krajnji pritisak ili bazni pritisak. Teorijski, nemoguće je stvoriti apsolutni vakuum (nula pritisak) unutar komore, ali praktično je moguće stvoriti veoma nizak pritisak od oko 10-13 Torr ili niže.

Stepen vakuma koji vakuum pumpa može dostići zavisi od nekoliko faktora, poput dizajna pumpe, vrste gasa koji se pumpa, zapremine komore, temperature gasa i stopa propusnosti sistema.

Brzina pumpiranja

Brzina pumpiranja definiše se kao stopa na kojoj pumpa može ukloniti molekule gasa iz komore ili spremnika na datom pritisku. Mjeri se u jedinicama zapremine po vremenu, poput litara po sekundi (L/s), kubnih stopa po minuti (CFM) ili kubnih metara po satu (m3/h). Brzina pumpiranja poznata je i kao kapacitet sušenja ili proizvodnja.

Brzina pumpiranja zavisi od nekoliko faktora, poput dizajna pumpe, vrste gasa koji se pumpa, razlike pritiska između ulaza i izlaza pumpe, i provodljivosti sistema.

Koji su tipovi vakuum pumpe?

Na tržištu postoji mnogo vrsta vakuum pumpe. One se mogu klasificirati u dvije glavne kategorije: pumpe s pozitivnim pomjeranjem i kinetičke pumpe.

Pumpe s pozitivnim pomjeranjem

Pumpe s pozitivnim pomjeranjem rade tako što zatvaraju fiksnu zapreminu gasa na ulazu, a zatim ga komprimiraju na viši pritisak na izlazu. One mogu stvoriti niske do srednje vakume (do 10-3 Torr). Neke primere pumpe s pozitivnim pomjeranjem su:

• Rotativne pumpe sa ležajima

• Pistonske pumpe

• Membranske pumpe

• Pumpe sa zavojnicama

• Pumpe sa skrolom

• Bloweri sa rootsom

Rotativne pumpe sa ležajima

Rotativne pumpe sa ležajima su jedna od najčešćih vrsta pumpe s pozitivnim pomjeranjem.

Sastoje se od cilindričnog rotorа s radijalnim ležajima koji se klize unutra i van dok rotor rotira unutar statora. Ležaji deli prostor između rotorа i statora na komore koje menjaju zapreminu dok se kreću od ulaza do izlaza. Kako komora se kreće od ulaza do izlaza, hvata gas na niskom pritisku, a zatim ga komprimira na visok pritisak pre nego što ga ispusti na izlaz.

Rotativne pumpe sa ležajima mogu biti ili uljene ili suhe.

Uljeni rotativni ležajni pumpe koriste ulje kao mazivo i zatvarajući materijal između ležaja i statora. Ulje takođe pomaže u hlađenju i uklanjanju nekih molekula gasa iz sistema. Suhi rotativni ležajni pumpe ne koriste ulje, već se oslanjaju na druge materijale ili poklopce za smanjenje trenja i gubitaka između ležaja i statora.

Rotativne pumpe sa ležajima mogu stvoriti vakume do 10-3 Torr sa brzinom pumpiranja od 0,5 do 1000 L/s.

Pistonske pumpe

Pistonske pumpe su još jedna vrsta pumpe s pozitivnim pomjeranjem koja koristi jedan ili više pistona da komprimuje gas unutar cilindara. Pistoni se kreću naprijed i nazad unutar cilindara koji imaju ventile na oba kraja za kontrolu toka gasa. Dok se piston kreće naprijed, ispušta gas sa jednog kraja svog cilindra, dok istovremeno dovodi gas sa drugog kraja kroz ulazni ventil. Dok se kreće nazad, zatvara svoj ulazni ventil, dok otvara izlazni ventil da ispusti komprimirani gas.

Pistonske pumpe mogu biti jednostupne ili više stupne. Jednostupne pumpe sa pistonom imaju samo jedan cilindar po pistonu, dok više stupne pumpe sa pistonom imaju dva ili više cilindara povezanih u seriju po pistonu. Više stupne pumpe sa pistonom mogu stvoriti veće vakume od jednostupnih pumpe sa pistonom komprimirajući gas više puta pre nego što ga ispuste.

Pistonske pumpe mogu stvoriti vakume do 10-3 Torr sa brzinom pumpiranja od 1 do 1000 L/s.

Membranske pumpe

Membranske pumpe su još jedna vrsta pumpe s pozitivnim pomjeranjem koja koristi fleksibilne membrane da komprimuje gas unutar komora. Membrane su pričvršćene na štapove koji se kreću naprijed i nazad električnim motorom ili ekscentričnim kamom. Dok se membrana kreće naprijed, ispušta gas iz svoje komore kroz izlazni ventil, dok dovodi gas iz druge komore kroz ulazni ventil. Dok se kreće nazad, zatvara svoj izlazni ventil, dok otvara ulazni ventil da omogući tok gasa.

Membranske pumpe su suhe pumpe koje ne koriste ulje ili druge tekućine kao maziva ili zatvarajuće materijale. One su prikladne za pumpiranje korozivnih, vatrih ili osjetljivih gasova koji ne mogu biti kontaminirani uljem. Takođe mogu raditi u bilo kojoj orijentaciji bez uticaja na svoju performansu.

Membranske pumpe mogu stvoriti vakume do 10-3 Torr sa brzinom pumpiranja od 0,1 do 100 L/s.

Pumpe sa zavojnicama

Pumpe sa zavojnicama su još jedna vrsta pumpe s pozitivnim pomjeranjem koja koristi dve međusobno uklapajuće zavojnice da komprimuje gas unutar komora. Zavojnice se vrt