Od ciśnienia atmosferycznego do próżni

Aspekt technologiczny – rozwiązania w technologii próżniowej

Od ciśnienia atmosferycznego do próżni

W branży spożywczej, w przemyśle farmaceutycznym, technologii chemicznej i procesowej, obróbce metalu lub przemyśle motoryzacyjnym: w wielu gałęziach gospodarki różne procesy produkcyjne wymagają gazów z ciśnieniem pozostającym znacznie poniżej ciśnienia atmosferycznego. Przy ciśnieniu do -700 mbar (300 mbar abs.) chodzi o podciśnienie. Poniżej 300 mbar abs. zaczyna się próżnia wstępna, średnia, wysoka i ultra-wysoka (patrz tabela).

Table of pressure ranges for almost all industry branches

W technologii próżniowej posługuje się bezwzględnymi (g) wartościami ciśnienia wyrażonymi w (mbar). „Bezwzględny” oznacza, że dane ciśnienia odnoszą się do całkowitej próżni. Całkowita próżnia ma ciśnienie 0,0000 mbar, wartość bezwzględna.  W technologii próżniowej zawsze obowiązuje ciśnienie bezwzględne, tak że można pominąć indeks „bezwzględny” (g).
W instalacjach można osiągać w sposób ekonomiczny próżnię wstępną, średnią i wysoką tylko wówczas, kiedy stosuje się tzw. stanowiska pompowe. Takie stanowiska pomp próżniowych wykonują swoją pracę co najmniej dwustopniowo. Pompy wstępne i dmuchawy rotacyjne razem tutaj współpracują. Aerzener Maschinenfabrik GmbH, od 1868 r. producent dmuchaw rotacyjnych, a od roku 1940 także specjalnych dmuchaw rotacyjnych do wytwarzania próżni. Dzięki temu firmę AERZEN można uznać za jednego z pionierów tej technologii. Dzisiaj przedsiębiorstwo jest też wiodącym globalnym producentem z szerokim asortymentem dmuchaw podciśnieniowych i próżniowych. Sukces ten wynika z kompetencji technicznej, wysokiej jakości produkcji, ciągłego doskonalenia oferty, doświadczenia pracowników i konsekwentnego, intensywnego dialogu z klientami. Do wytwarzania podciśnienia do 500 mbar bezwzgl., AERZEN dostarcza dmuchawy rotacyjne serii Delta Blower G5. Nowo opracowane sprężarki rotacyjne serii Delta Hybrid wytwarzają podciśnienie nawet do 300 mbar abs. Podciśnienie do 500 mbar abs. bądź do 300 mbar (g) osiąga się już w jednym stopniu.

Współpraca pompy wstępnej i próżniowej dmuchawy rotacyjnej

Podciśnienie poniżej 300 mbar abs. zasadniczo można osiągnąć tylko dwustopniowo na tzw. stanowisku pomp poprzez jednoczesne zastosowanie pompy próżniowej i próżniowej dmuchawy rotacyjnej. Dzięki temu bezpiecznie osiąga się żądany przez użytkownika przepływ objętościowy, tzw. punkt pracy. W pierwszym etapie pompa wstępna redukuje ciśnienie medium zawartego w zbiorniku lub w pomieszczeniu do próżni wstępnej, np. 200 mbar abs. Następnie w drugim stopniu uruchamia się próżniową dmuchawę rotacyjną i poprzez dalszą wspólną pracę z pompą wstępną osiąga się żądaną próżnię końcową lub żądany przepływ objętościowy. Późniejszy użytkownik instalacji próżniowej (np. stalownia w Chinach) podaje producentowi stanowiska pomp (np. niemieckiemu wykonawcy instalacji) wszystkie istotne parametry dla żądanej instalacji:

  • wielkość opróżnianej komory lub zbiornika,
  • potrzebną maksymalną próżnię (tzw. punkt pracy) lub żądany przepływ objętościowy i
  • maksymalny możliwy czas odpompowywania.

Następnie producent stanowiska pomp wspólnie z AERZEN wybiera odpowiednią pompę wstępną i odpowiednią dmuchawę próżniową.

Intensywna współpraca

W zależności od zastosowania systemu pomp wstępnych w grę wchodzą: wodne pompy pierścieniowe, smarowane olejowo rotacyjne pompy łopatkowe lub regulowane pompy kanałowe do neutralnych gazów. Do szczególnie wartościowych zastosowań w przemyśle chemicznym dla wytwarzania próżni w zakresie gazów procesowych mogą się okazać konieczne także drogie śrubowe pompy próżniowe. Jako specjalista z wieloletnim doświadczeniem, AERZEN oferuje zaawansowaną dokumentację mocy wszystkich możliwych systemów pomp próżniowych, producentom stanowisk pomp doradza przy wyborze optymalnego systemu pomp wstępnych i w ścisłej współpracy wspólnie wybierają optymalną próżniową dmuchawę rotacyjną AERZEN. W celu osiągnięcia parametrów wymaganych przez użytkownika stanowiska pomp, pompa wstępna i dmuchawa próżniowa AERZEN są optymalnie dopasowane do siebie pod względem energetycznym i termicznym.

Wykres na podstawie obliczeń teoretycznych przedstawia wzajemne oddziaływanie pompy wstępnej (linia pomarańczowa) i dmuchawy próżniowej AERZEN serii GMa (linia zielona), jako rozwiązanie dwustopniowe.

Rysunek 1 przedstawia wynikające z obliczeń teoretycznych wzajemne oddziaływanie pompy wstępnej (linia pomarańczowa) i dmuchawy próżniowej AERZEN serii GMa (linia zielona) jako rozwiązanie dwustopniowe. W celu skrócenia czasu odpompowywania możliwe są także rozwiązania wielostopniowe z pompą wstępną i kilkoma pracującymi kolejno po sobie dmuchawami próżniowymi. Na osi x przedstawiono zakresy ciśnienia pompy wstępnej i dmuchawy próżniowej, na osi y przepływy objętościowe. Na tym przykładzie pompa wstępna początkowo pracuje samodzielnie. Po osiągnięciu próżni 200 mbar abs. uruchamia się dmuchawa próżniowa AERZEN. Zielona krzywa mocy ssania gwałtownie zwiększa się do punktu pracy 1 mbar. W punkcie pracy moc ssania danej kombinacji wynosi ok. 1750 m³/h. Występujące pierwotnie w tym obliczeniu teoretycznym dwa krytyczne termicznie zakresy ciśnienia można skorygować przez zmienione parametry w programie doboru, tak że wybrana dla tego przykładu kombinacja pompy wstępnej i dmuchawy próżniowej AERZEN zapewnia żądany punkt pracy, w tym przykładzie 1 mbar, i może być bezpiecznie eksploatowana w tej kombinacji.

Dzięki tej procedurze producent stanowiska pomp i AERZEN, przy uwzględnieniu limitów termicznych i dzięki zastosowaniu najlepszej możliwej kombinacji pompy wstępnej i dmuchawy próżniowej spełniają określone przez użytkownika parametry stanowiska pomp. AERZEN oferuje...

dla zakresu próżni od 300 do 10 mbar

  • dmuchawę próżniową z chłodzeniem wstępnym z serii ...mHV,

dla zakresu próżni od 200 do 10-3 mbar (0,001 mbar)

  • dmuchawę próżniową serii HV,

dla zakresu próżni do 10-5 mbar (0,00001 mbar)

  • dmuchawę próżniową z zespołem dmuchawa – silnik we wspólnej obudowie serii CM i HM.

Optymalny wybór właściwej kombinacji pompy wstępnej i dmuchawy próżniowej zapewnia ekonomiczne stanowisko pomp i długotrwałą i gospodarną pracę z najwyższą wydajnością energetyczną.

Dmuchawa próżniowa z chłodzeniem wstępnym (zakres próżni 300 do 10 mbar)

Dmuchawa próżniowa z chłodzeniem wstępnym serii mHV oferowana przez AERZEN w 11 wielkościach dla teoretycznych przepływów objętościowych na ssaniu od 250 do 61.000 m³/h. Jej maks. dopuszczalna różnica ciśnienia jest zależna od danego obciążenia termicznego. Dmuchawy z chłodzeniem wstępnym stosuje się głównie w zakresie próżni wstępnej i w zakresie podciśnienia jako pompę wstępną lub stopień na podciśnienie w stosunku do atmosfery, aby osiągnąć wysokie różnice ciśnień na stopniu, i dla wysokich wartości sprężania w zakresie próżni wstępnej do p2/p1 = 5. Stosowanie dmuchaw z chłodzeniem wstępnym serii mHV jest korzystne wówczas, gdy chce się uniknąć problemów z przegrzewaniem podczas długotrwałej eksploatacji. W tym celu przez trzeci kanał zasysania doprowadza się do agregatu po stronie tłocznej powietrze atmosferyczne lub ponownie schłodzony gaz bez dodatkowych zaworów, regulatorów itp. Przy stosowaniu schłodzonego gazu jest on wcześniej schładzany w chłodnicy gazu i powietrza lub gazu i wody, zainstalowanej między pompą wstępną a dmuchawą z chłodzeniem wstępnym. Kołnierze obudowy dmuchawy z chłodzeniem wstępnym są wyposażone w uszczelki typu o-ring; smarowanie zanurzeniowe odpowiada za dostarczanie oleju smarowego do dmuchawy próżniowej z chłodzeniem wstępnym. Napęd bezpośredni za pomocą połączonego silnika lub przekładni zębatej czołowej, przy ograniczonej różnicy ciśnień także za pomocą pasa napędowego. Komora tłoczenia jest uszczelniona przez specjalnie dobrane uszczelnienia labiryntowe prostokątne, z pierścieniem odrzutowym, a wał napędowy – przez podwójne pierścienie uszczelniające z doprowadzeniem oleju.

Dmuchawa próżniowa dla zakresu próżni średniej od 200 do 10-3 mbar

Chłodzone powietrzem dmuchawy serii HV do zakresu próżni od 200 do 10-3 mbar są dostępne w 12 wielkościach dla teoretycznego nominalnego przepływu objętościowego na ssaniu od 180 do 97 000 m³/h (prędkości obrotowe od 3.000 do 3.600 min-1). Pracują one jako konstrukcja GMa z pionowym kierunkiem tłoczenia oraz jako GLa z poziomym kierunkiem tłoczenia, co umożliwia szczególnie kompaktową budowę. Obie formy konstrukcyjne stosuje się m.in. w technologii powlekania, technologii chemicznej i procesowej, metalurgii, przemyśle opakowań, w centralnych instalacjach próżniowych, sprężaniu i w systemach wykrywania wycieków helu, produkcji lamp, świetlówek i układów solarnych, a także w branży motoryzacyjnej. W przypadku szczególnych zastosowań w dmuchawach chłodzonych powietrzem, smarowanych zanurzeniowo można używać specjalnych uszczelnień i materiałów specjalnych, np. do odlewów
i tłoków obrotowych.

Dzięki standardowemu wyposażeniu w silniki IE3, dmuchawy pracują z najwyższą wydajnością energetyczną i mogą być stosowane na wielu rynkach, m.in. w USA, Kanadzie i w Rosji. Oprócz tego nadają się do pracy z przetwornicą częstotliwości. Silniki są połączone bezpośrednio kołnierzem z dmuchawami. Specjalne uszczelnienie labiryntowe prostokątne, z pierścieniem odrzutowym zapobiega przedostawaniu się oleju z komory łożysk do komory tłoczenia. Dodatkowo zamontowana jest wielkowymiarowa neutralna przestrzeń z kanałami na kondensat. Dla zwiększenia efektu blokowania, można doprowadzać gaz zaporowy do przestrzeni neutralnej. Cechą szczególną jest to, że dmuchawy próżniowe serii HV opcjonalnie można konstruować także według standardu ATEX 2014/34/WE. Są wytrzymałe na uderzenia ciśnienia do 13 bar, pracują bez by-passów i są dopuszczone jako jedyne dmuchawy próżniowe do strefy 0 (wewnątrz) i na zewnątrz do klasy temperaturowej T4. W celu podwyższenia bezpieczeństwa procesowego możliwe jest odłączenie monitorowania poniżej 50 mbar.

Zespół dmuchawa – silnik we wspólnej obudowie dla zakresu próżni wysokiej od 200 do 10-5 mbar

Wytrzymałe i trwałe zespoły dmuchawa – silnik we wspólnej obudowie AERZEN serii CM (gazów agresywnych) i HM (gazów neutralnych) umożliwiają szczególnie krótki czas odpompowywania i są stosowane w przemysłowej technologii wysokiej próżni w zakresie próżni od 200 do 10-5 mbar. Te dmuchawy pracują z napędem hermetycznym, ponieważ wał napędowy jest uszczelniony przez zintegrowany zespół dmuchawa – silnik we wspólnej obudowie bez odprowadzenia do atmosfery. Dzięki niemal podwojeniu prędkości obrotowej w przedziale 6000 do 7200 min-1 przy takiej samej wielkości konstrukcyjnej możliwe są bardzo krótkie cykle odpompowywania w zakresie sekundowym, co prowadzi do znacznego przyśpieszenia procesów produkcyjnych u użytkownika. Nawet jeśli w celu dalszego zwiększania mocy dwie pompy wstępne i jeden zespół dmuchawa – silnik we wspólnej obudowie są zabudowane na jednym stanowisku, cały agregat nadal jest bardzo kompaktowy, co jest zaletą zwłaszcza w przypadku instalacji złożonych z wieloma stanowiskami pomp. Dostępne są zespoły AERZEN dmuchawa – silnik we wspólnej obudowie

o konstrukcji CM dla agresywnych gazów

  • w 14 wielkościach dla teoretycznego nominalnego przepływu objętościowego na ssaniu od 110 do 15.340 m³/h,

z konstrukcją HM dla neutralnych gazów

  • 9 wielkości dla teoretycznego nominalnego przepływu objętościowego na ssaniu od 406 do 15.570 m³/h.

Są one stosowane do wytwarzania próżni przemysłowej, m.in. w technologii chemicznej i procesowej, przy powlekaniu folią i szkliwem, do ekstrakcji wodoru, w systemach wykrywania wycieków helu i wszędzie tam, gdzie konieczne jest unikanie wycieków. Oprócz tego dmuchawy te pracują w przemyśle półprzewodników, w mikroelektronice, przy wytwarzaniu płaskich ekranów, w technologii laserowej i solarnej. Dmuchawy mogą tłoczyć w kierunku pionowym lub poziomym. Dzięki seryjnemu chłodzeniu wodą nadają się do zastosowania w warunkach sterylnych. Wysoka obciążalność mechaniczna (do 230 mbar) zmniejsza czas odpompowywania. Zastosowanie przetwornicy częstotliwości umożliwia wysoki zakres regulacji (1:5), a dzięki temu możliwe jest zastosowanie mniejszych dmuchaw. Dzięki różnym wariantom silnika, dla cyklicznego i ciągłego trybu pracy, istnieje możliwość stosowania specjalnych, indywidualnych rozwiązań.

Wniosek

Nie ma standardowych rozwiązań dla optymalnego projektowania stanowiska pomp do wytwarzania próżni, ponieważ parametry mocy pompy wstępnej i próżniowej dmuchawy rotacyjnej muszą być optymalnie dopasowane do siebie. Tylko wówczas stanowisko pomp osiąga żądane przez użytkownika parametry i określony punkt pracy. Dlatego optymalne rozwiązanie można wypracować tylko na drodze intensywnych konsultacji firmy AERZEN, jako dostawcy dmuchawy próżniowej we współpracy z producentem stanowiska pomp, który dokonuje zakupu zarówno pompy wstępnej, jak i dmuchawy próżniowej. Za pomocą zaawansowanego oprogramowania AERZEN sprawdza planowaną lub określoną przez producenta stanowiska pomp kombinację złożoną z pompy wstępnej i dmuchawy próżniowej AERZEN. „Szczególną uwagę poświęcamy uniknięciu krytycznych termicznie zakresów ciśnienia i najlepszym energetycznie możliwościom stopniowania. W AERZEN obowiązuje zasada: doradzamy producentowi stanowiska pomp nie tylko przy zastosowaniu procesu próżniowego, ale także przy projektowaniu całego stanowiska pomp”.

Autor: Norbert Barlmeyer, dziennikarz związany z technologią sprężonego powietrza, Bielefeld