КАК ВЫБРАТЬ ВАКУУМНЫЙ НАСОС. Часть 1: «Вакуум».

Свойства[править]

Автоцистерна для перевозки жидкого вакуума на пункте заправки.
Жидкий вакуум представляет собой жидкость без цвета, вкуса, запаха, вязкости, плотности и названия (наименование «жидкий вакуум» не относится к жидкому вакууму как таковому и в действительности является псевдонимом). При температуре —300C кипит, создавая над поверхностью область отрицательного давления (не рекомендуется накрывать крышкой ёмкости с кипящим жидким вакуумом во избежание засасывания), при давлении 6000 ГПа кристаллизуется в игловидные голубые кристаллы

. Высказывались предположения о том, что при сотрясении жидкий вакуум склонен к детонации, однако никто из проводивших соответствующие эксперименты не дожил до стадии опубликования их результатов в научных журналах, поэтому точными данными о его детонационных свойствах наука пока не располагает.

После длительного содержания жидкого вакуума в «мёртвом состоянии» (отсутствие воздействия факторов, присущих Земным) вещество, будучи в состоянии, пространственно независимым способно при соединении с вакуумом в «живом состоянии» образовывать третье состояние вакуума, существующее параллельно первым двум. Для более простейшего различия состояний вакуума в 2010 году Российским учёным Гончаровым П. С. были объявлены названия трёх состояний:

• Vodkuum — вакуум жидкий-мёртвый;
• Dmokuum — вакумообразные газы;
• Живое состояние вакуума — Florofaukuum.

Что такое вакуум?

Очень часто к нам обращаются люди, которые хотят купить вакуумный насос, но слабо представляют, что такое вакуум. Попытаемся разобраться, что же это такое. По определению, вакуум – это пространство, свободное от вещества (от латинского слова «vacuus» — пустой). Существует несколько определений вакуума: технический вакуум, физический вакуум, космический вакуум и т.д. Мы будем рассматривать технический вакуум, который определяется как сильно разреженный газ.

Рассмотрим на примере, что такое вакуум и как его измеряют. На нашей планете существует атмосферное давление, принятое за единицу (одна атмосфера). Оно меняется в зависимости от погоды, высоты на уровнем моря, но мы не будем принимать это во внимание, так как это не будет никак влиять на понимание понятия вакуум. Итак, мы имеем давление на поверхности земли равное 1 атмосфере. Всё, что ниже 1 атмосферы (в закрытом сосуде), называется техническим вакуумом.

Возьмём некий сосуд и закроем его герметичной крышкой. Давление в сосуде будет равно 1 атмосфере. Если мы начнём откачивать из сосуда воздух, то в нём возникнет разряжение, которое и называется вакуумом. Рассмотрим на примере: в левом сосуде 10 кружочков. Пусть это будет 1 а половину – получим 0,5 атм, оставим один – получим 0,1 атм.

Так как в сосуде всего одна атмосфера, то и максимально возможный вакуум мы можем получить (теоретически) ноль а — т.к. выловить все молекулы воздуха из сосуда практически невозможно. По этому, в любом сосуде, из которого откачали воздух (газ) всегда остается какое-то его минимальное количество. Это и называют «остаточным давлением», то есть давление, которое осталось в сосуде после откачки из него газов. Существуют специальные насосы, которые могут достичь глубокого вакуума до 0,00001 Па, но всё равно не до нуля. В обычной жизни редко когда требуется вакуум глубже 0,5 — 10 Па (0,00005-0,0001 атм).

Есть несколько вариантов измерения вакуума, которые зависят от выбора точки отсчёта: 1. За единицу принимается атмосферное давление. Всё, что ниже единицы – вакуум. То есть шкала вакуумметра от 1 до 0 атм (1…0,9…0,8…0,7…..0,2…0,1….0). 2. За ноль принимается атмосферное давление. То есть вакуум – все отрицательные числа меньше 0 и до -1. То есть шкала вакуумметра от 0 до -1 (0, -0,1…-0,2….,-0,9,…-1). Также шкалы могут быть в кПа, mBar, но это всё аналогично шкалам в атмосферах.

На картинке показаны вакуумметры с различными шкалами, которые показывают одинаковый вакуум:

Из всего сказанного выше видно, что величина вакуума не может быть больше атмосферного давления.

К нам почти каждый день обращаются люди, которые хотят получить вакуум -2, -3 атм и т.д. И они очень удивляются когда узнают, что это невозможно (кстати, каждый второй из них говорит, что «вы сами ничего не знаете», «а у соседа так» и т.д. и.т.п.)

На самом деле, все эти люди хотят формовать детали под вакуумом, но чтобы прижим детали был более 1 кг/см2 (1 атмосферы). Этого можно достичь, если накрыть изделие плёнкой, откачать из под неё воздух (в этом случае, в зависимости от созданного вакуума, максимальный прижим составит 1 кг/см2 (1 атм=1 кг/см2)), и после этого поместить это всё в автоклав, в котором будет создано избыточное давление. То есть для создания прижима в 2 кг/см2, достаточно создать в автоклаве избыточное давление в 1 атм.

Теперь несколько слов о том, как многие клиенты измеряют вакуум на выставке ООО «Насосы Ампика», у нас в офисе: включают насос, прикладывают палец (ладонь) к всасывающему отверстию вакуумного насоса и сразу делают вывод о величине вакуума.

Обычно, все очень любят сравнивать советский вакуумный насос 2НВР-5ДМ и предлагаемый нами его аналог VE-2100. После такой проверки, всегда говорят одно и тоже – вакуум у 2НВР-5ДМ выше (хотя на самом деле оба насоса выдают одинаковые параметры по вакууму).

В чем же причина такой реакции? А как всегда – в отсутствии знаний законов физики и что такое давление вообще.

Немного ликбеза: давление «P» – это сила, которая действует на некоторую площадь поверхности, направленная перпендикулярно этой поверхности (отношение силы «F» к площади поверхности «S»), то есть P=F/S. По-простому – это сила, распределённая по площади поверхности. Из этой формулы видно, что чем больше площадь поверхности, тем меньше будет давление. А также сила, которая потребуется для отрыва руки или пальца от входного отверстия насоса, прямо пропорциональна величине площади поверхности (F=P*S). Диаметр всасывающего отверстия у вакуумного насоса 2НВР-5ДМ – 25 мм (площадь поверхности 78,5 мм2). Диаметр всасывающего отверстия у вакуумного насоса VE-2100 – 6 мм (площадь поверхности 18,8 мм2). То есть для отрыва руки от отверстия диаметром 25 мм, требуется сила в 4,2 раза большая, чем для диаметра отверстия 6 мм (при одинаковом давлении). Именно по этому, когда вакуум измеряют пальцами, получается такой парадокс. Давление «P», в этом случае, рассчитывается как разница между атмосферным давлением и остаточным давлением в сосуде (то есть вакуумом в насосе).

Как посчитать силу прижима какой-либо детали к поверхности? Очень просто. Можно воспользоваться формулой приведенной выше, но попробуем объяснить попроще. Например, пусть требуется узнать, с какой силой может быть прижата деталь размером 10х10 см при создании под ней вакуума насосом ВВН 1-0,75.

Берём остаточное давление, которое создаёт этот вакуумный насос серии ВВН. Конкретно у этого водокольцевого насоса ВВН 1-0,75 оно составляет 0,4 атм. 1 атмосфера равна 1 кг/см2. Площадь поверхности детали – 100 см2 (10см х10 см). То есть, если создать максимальный вакуум (то есть давление на деталь будет 1 атм), то деталь прижмётся с силой 100 кг. Так как у нас вакуум 0,4 атм, то прижим составит 0,4х100=40 кг. Но это в теории, при идеальных условиях, если не будет подсоса воздуха и т.п. Реально нужно это учитывать и прижим будет на 20…40% меньше в зависимости от типа поверхности, скорости откачки, и т.п.

Теперь пару слов о механических вакуумметрах. Эти устройства показывают остаточное давление в пределах 0,05…1 атм. То есть он не покажет более глубокого вакуума (будет всегда показывать «0»). Например, в любом пластинчато-роторном вакуумном насосе, по достижении его максимального вакуума, механический вакуумметр всегда будет показывать «0». Если требуется визуальное отображение значений остаточного давления, то нужно ставить электронный вакуумметр, например VG-64.

Часто к нам приходят клиенты, которые формуют детали под вакуумом (например, детали из композиционных материалов: углепластика, стеклопластика и т.п.), это нужно для того, чтобы во время формовки из связующего вещества (смолы) выходил газ и тем самым улучшались свойства готового продукта, а так же деталь прижималась к форме плёнкой, из-под которой откачивают воздух. Встаёт вопрос: каким вакуумным насосом пользоваться – одноступенчатым или двухступенчатым? Обычно думают, что раз вакуум у двухступенчатого выше, то и детали получаться лучше.

Вакуум у одноступенчатого насоса 20 Па, у двухступенчатого 2 Па. Кажется, что раз разница в давлении в 10 раз, то и прижиматься деталь будет гораздо сильнее. Но так ли это на самом деле?

1 атм = 100000 Па = 1 кг/см2. Значит разница в прижиме плёнки при вакууме 20 Па и 2 Па составит 0,00018 кг/см2 (кому не лень – посчитает сам).

То есть, практически, разницы никакой не будет, т.к. выигрыш в 0,18 г в силе прижима погоды не сделает.

Расчет времени вакуумирования емкости

Как рассчитать за какое время вакуумный насос откачает вакуумную камеру? В отличии от жидкостей, газы занимают весь имеющийся объем и если вакуумный насос откачал половину воздуха, находящегося в вакуумной камере, то оставшаяся часть воздуха вновь расширится и займет весь объем. Ниже приведена формула для вычисления этого параметра.

t = (V/S)*ln(p1/p2)*F

, где

t — время (в часах) необходимое для откачки вакуумного объема от давления p1 до давления p2 V — объем откачиваемой емкости, м3 S — быстрота действия вакуумного насоса, м3/час p1 — начальное давление в откачиваемой емкости, мбар p2 — конечное давление в откачиваемой емкости, мбар ln — натуральный логарифм

F — поправочный коэффициент, зависит от конечного давления в емкости p2: — p2 от 1000 до 250 мбар F=1 — p2 от 250 до 100 мбар F=1,5 — p2 от 100 до 50 мбар F=1,75 — p2 от 50 до 20 мбар F=2 — p2 от 20 до 5 мбар F=2,5 — p2 от 5 до 1 мбар F=3

В двух словах, это всё. Надеемся, что кому-нибудь эта информация поможет сделать правильный выбор вакуумного оборудования и блеснуть знаниями за кружкой пива…

Общие сведения[править]

Модель молекулы жидкого вакуума.
Как видно на рисунке справа, это молекула жидкого вакуума. Мало кто знает, что жидкий вакуум — одна из аллотропных модификаций химического элемента Vak, а точнее, чугунид ваккума (ChuVak). Чугунид вакуума является солью чугунной кислоты. Эта наименее стабильная модификация вакуума, при нагревании его выше температуры абсолютного нуля он превращается в обычный вакуум, при этом выделяется ещё один элемент — чугуний (это является подтверждением возможности холодного синтеза, что даёт надежды на создание вечного двигателя в ближайшие 54 308 428 790 203 478 762 340 052 723 346 983 453 487 023 489 987 231 275 412 390 872 348 475 лет). В свободном состоянии чугунид может существовать только 0,000000000000000000000000000000000000000001 секунды, поэтому почти сразу же превращается в радикал вакуума, как видно на рисунке.

Область применения

1. Разделение жидких смесей веществ, различающихся по температуре кипения (менее 60 °С – с дефлегматором, с более 60 °С – простая перегонка) и имеющих высокую температуру кипения. Пример: выделение ДМСО из смеси ацетон (т. кип. 56 °С)/диметилсульфоксид (ДМСО) (т. кип. 189 °С с разложением при 1 атм., ~60 °С в вакууме водоструйного насоса без разложения).
2. Отделение высоко кипящего жидкого вещества от нелетучих примесей (твердых компонентов). Пример: перегонка ДМСО над гидридом кальция (не летуч).
3. Разделение смесей неразделимых при атмосферном давлении. Пример: разделение азеотропной смеси этанол/вода. Этанол кипит при 70 мм. рт. ст. при 28 °С без образования азеотропа с водой.
4. Часто перегонка под вакуумом используется для очистки продажных высоко кипящих растворителей, реактивов, для очистки и выделения термолабильных или высоко кипящих продуктов реакций.

Получение[править]

В древности жидкий вакуум получали из высушенной печени крокодила, умершего при попытке изнасилования трупа умершей от коровьего бешенства и алкоголизма девственницы. Для этого сухая печень, измельчённая в алмазной ступке пестиком из берцовой кости негра-отцеубийцы, повешенного в полнолуние, смешивалась в равных долях с порошком «Уходи» и пурпурными чернилами принтера Lexmark ZX-25; затем смесь доводилась до кипения и варилась на медленном огне до снятия с эфира реалити-шоу «Дом-2», после чего залпом выпивалась оператором криогенно-вакуумной установки КВУ-16А (или более мощной) производства Казанского оптико-механического завода, каковая установка и производит жидкий вакуум во время приготовления оператором адского зелья.

В настоящее время известны два метода получения жидкого вакуума.

Сложный метод[править]

Основан на свойстве обычного (не жидкого) вакуума конденсироваться при охлаждении до температур ниже абсолютного нуля. Изобретён и впервые применён на практике Джеймсом Максвеллом в 1954 году при подготовке к Холодной войне. Этот метод держится в глубокой тайне.

Простой метод[править]

Советские учёные нашли собственный метод получения жидкого вакуума в промышленных масштабах (описан Хомским в его работе 1984 года «Введение в выведение»). Метод основывается на свойстве кладовщика склада № 4 при Академии Наук СССР выдавать необходимое количество жидкого вакуума предъявителю надлежащим образом оформленной заявки. Как должным образом оформить заявку, держится в глубоком секрете.

Базовые законы ФИЗИКИ ГАЗА и уравнение состояния идеального газа.

или при записи в другом виде: [ 6 ]

Где:

p

– давление газа,
Па
(Н/м2)

V

– объём газа,
м3
m

– масса газа,
кг
μ

– молярная масса газа

R = 8,31 Дж/моль ∗ К

– универсальная газовая постоянная,

T

– температура газа,
°К
(градусы абсолютной шкалы Кельвина).

Под идеальным газом понимается газ, частицы которого являются не взаимодействующими на расстоянии материальными точками и испытывают абсолютно упругие соударения друг с другом и со стенками сосудов.

Важно понимать, что все газовые законы работают для фиксированной массы (количества) газа.

Законы эти хорошо работают для режимов вакуума и не приемлемы при очень высоких давлениях и температурах.

Применение[править]

Больной принимает жидкий вакуум В военном деле Жидкий вакуум в смеси с красной ртутью использовался ранее как наполнитель для вакуумных бомб; в настоящее время для этой цели обычно применяется более устойчивый чугунид вакуума. В воздухоплавании Для быстрого сдувания воздушных шаров или сборки тормозных парашютов, а также для заполнения свинцовых дирижаблей. В кондитерской промышленности Образующиеся при кристаллизации жидкого вакуума голубые кристаллы входят в состав некоторых жевательных резинок. Будучи добавленным в карамель, обеспечивает эффективное всасывание повидла вовнутрь. Поваренная пищевая соль, очищенная жидким вакуумом и повседневно употребляемая в пищу В медицине Жидкий вакуум иногда применяют для создания разрежения в медицинских банках. При вздутии живота врачи рекомендуют принять 2-3 капли Жидкого вакуума. В фундаментальной науке Многие учёные используют жидкий вакуум для шантажа руководителей государств с целью получить средства на получение жидкого вакуума для шантажа руководителей государств с целью получить средства на получение жидкого вакуума…(см. Рекурсия) В химической промышленности Жидкий вакуум находит широкое применение для очистки кристаллов от технических примесей. В быту Для заправки пылесосов марки «Dumbo».

Оборудование

Типичный прибор для вакуумной перегонки с дефлегматором приведен на рисунке:

1. Круглодонная колба с исходным раствором (А). Жидкость должна занимать не более 1/3 объема колбы для предотвращения выброса кипящей жидкости в приемную колбу. Часто для вакуумной перегонки используется колбы Кляйзена (Б), уже включающие в себя дефлегматор и переходник к термометру и холодильнику. Важно! Применяют колбы только с круглым дном. Посмотреть

   А Б

2. Лапка. Важно! Металлическая лапка НЕ должна соприкасаться со стеклом, для избежания растрескивания колбы при перегонке. Для этого между колбой и лапкой помещают резиновые прокладки. Посмотреть
3. Насадка Вюрца или 3-х ходовой переходник. Насадка Вюрца выбирается из варианта (А) для жидкостей с температурой кипения менее 120 °С и (Б) для жидкостей с температурой более 120 °С. Посмотреть
4. Дефлегматор. Длина дефлегматора выбирается из условия, чем уже интервал температур, тем длинее дефлегматор. По разделяющей способности один из лучших дефлегматоров — с насадкой из отрезков стеклянной спирали. Посмотреть

   

5. Термометр. Выбирается из необходимой температуры кипения жидкости и вставляется в насадку Вюрца таким образом, чтобы верхняя часть шарика ртути совпадала с нижней частью бокового отвода насадки. Термометр без шлифа может быть использован, если имеется соответствующая насадка. Посмотреть
6. Холодильник Либиха. Холодильник Либиха (1) используется для жидкостей с температурой кипения до 120 °С. Его длина тем больше, чем меньше температура кипения вещества. Подключают холодильник к воде таким образом, чтобы поток воды был направлен против движения паров. Для облегчения соединения внешнюю поверхность керном можно смочить водой. Для веществ с температурой кипения более 120 °С используется воздушный холодильник, либо перегонка проводится без холодильника. В редком случае можно использовать обратный холодильник (2). Посмотреть
7. Аллонж и приемные колбы. Аллонж выбирают исходя из следующих критериев: Аллонж с боковым отводом (А) – для перегонки единственной фракции. К отводу подсоединяют шланг и направляют его к вакуумному насосу (через ловушку). Аллонж-«паук» (Б) применяют для смены фракций с определенной температурой кипения, отвод используют как и в случае аллонжа (А). Посмотреть

   А Б

8. Ловушка. При использовании масляного насоса перед насосом помещают ловушку с жидким азотом, для избежания попадания пара в насос. Посмотреть
9. Нагревающий элемент. Выбирают исходя из свойств перегоняемой смеси. Колбонагреватели и пламенные горелки – для негорючих жидкостей. Масляные бани (т. кип. вещества до 200 °С) – для более точной регулировки температуры в перегонной колбе. При этом температура бани на 20-30 °С больше температуры кипения жидкости.