Вакуум

Введение.

При выборе вакуумного насоса (или компрессора) и оценке его пригодности для использования в той или иной технологии оперируют двумя главными характеристиками:

• ДАВЛЕНИЕ
• ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Вакуумный насос или компрессор, который в поиске у потенциального пользователя, должен, прежде всего, обеспечить требуемый уровень давления. Затем ставится задача получить это давление за определенный промежуток времени. Быстрота получения заданного значения давления определяется производительностью (pumping speed) вакуумного насоса. При этом газовые компрессоры нагнетают газы и формируют давления выше атмосферного. Вакуумные насосы генерируют давления ниже атмосферного, т.е. создают разрежение.

В этой статье речь пойдет о низком давлении, т.е. о ВАКУУМЕ, как об основной технической характеристике всех вакуумных насосов. Создание или генерирование устройством вакуума – это динамический процесс понижения атмосферного давления в объеме и во времени. При поисках и выборе вакуумного насоса по уровню вакуума обычно говорят о двух характеристиках вакуумного насоса, связанных с давлением:

• предельное остаточное давление (или предельный вакуум, ultimate pressure)
• рабочее давление (или рабочий вакуум, working pressure)

Предельное остаточное давление – это самое хорошее (высокое) значение вакуума, которое позволяет достигнуть конструкция этого вакуумного насоса

Важно понимать, что когда вакуумный насос достигает этого предельного значения вакуума, производительность откачки газов становится равной нулю, т.е. откачка прекращается, и в дальнейшем при работе насоса это значение предельного давления будет поддерживаться как некое достигнутое равновесное состояние системы «насос-откачиваемый объём»

Как правило, значение предельного остаточного давления достигается лишь при работе вакуумного насоса в режиме «сам на себя», т.е. при заглушенном входном патрубке. Это объясняется довольно просто: при подключении к насосу технологических объемов (емкости, трубопроводы, стыки, камеры и др.) всегда существуют течи (негерметичности) или явления газовой десорбции, которые не позволяют достичь в откачиваемом объеме максимальное значение вакуума, который способен создать сам насос.

Рабочее давление – это заданное значение вакуума, которое требуется обеспечить и поддерживать вакуумным насосом в той или иной технологии или техпроцессе.

При выборе вакуумного насоса его предельное остаточное давление должно быть немного лучше чем рабочее. Это как бы обеспечивает некий «запас прочности», т.е. гарантию того, что требуемое в техпроцессе давление будет достигнуто с помощью именно этого вакуумного насоса.

Суть технологии су-вид

Начнем с основ. Суть метода очень проста: продукты запечатывают в специальный пластиковый пакет, из которого откачивается воздух, после чего готовят в воде при постоянной температуре, которая обычно не превышает 70 градусов (в случае с овощами этот предел несколько выше). В результате этого достигается сразу несколько целей:

• Если при жарке или запекании мяса его поверхность подвергается воздействию температур, в разы превышающих температуру готовности, технология sous-vide готовит блюда деликатно, и температура в середине и на поверхности готового продукта будет одинаковой, ничего не высохнет и не подгорит;
• Благодаря низкотемпературной обработке клеточные мембраны остаются целыми, поэтому блюда получаются намного более сочными;
• Вакуумная упаковка сохраняет все вкусы и ароматы внутри продукта, и способствует лучшему проникновению в продукт специй и маринадов;
• Правильный подбор времени и температуры приготовления размягчает продукты, а в жестких кусках мяса, которые принято отваривать или тушить, происходит преобразование мышечного коллагена в желатин: любой, даже самый дешевый отруб, можно приготовить так, что он будет иметь божественные вкус и текстуру.
• Овощи, которые подвергаются этому методу, напротив, сохраняют свежую, хрустящую текстуру, чего практически невозможно добиться при обычной варке.

Свиная грудинка, приготовленная по технологии су-вид, имеет насыщенный вкус и буквально тает во рту

Технический вакуум

Техническим называют частичный вакуум, образовавшийся в земных условиях. Совокупность инструментов, используемых пр этом называют вакуумной техникой. Главное место среди орудий вакуумной техники занимают насосы различной конструкции и принципа действия.

Основным инструментом для создания низкого вакуума является объемный насос. Принцип его действия заключается в циклическом увеличении и уменьшении объема газа в сосуде. Во время фазы увеличения объема, всасывания, газ в сосуде расширяется, заполняя дополнительный объем, который затем отсекается и выбрасывается.

Создание высокого и сверхвысокого вакуума является сложной технической проблемой. Когда молекул газа в вакуумной камере мало, возникают проблемы, связанные с загрязнением камеры молекулами масла, недостаточной плотности прокладок, дегазации стенок сосуда, тому подобное.

Для получения высокого вакуума используют диффузионные насосы. Принцип действия насосов этого типа основывается на том, что молекулы газа не диффундируют против течения. Поэтому диффузионные насосы используют струю для вытягивания молекул газа из вакуумной камеры.

Насосы-ловители позволяют достичь еще более высокого вакуума. Их действие может базироваться на различных физических и химических принципах: криогенные насосы используют низкую температуру, для конденсации газа в сосуде, в химических насосах молекулы газа связываются химическими веществами или адсорбируют на поверхности, в ионизационных насосах газ в вакуумной камере йонизуеться и извлекается с помощью сильных электрических полей.

Реальные вакуумные установки состоят из комбинации насосов различного типа, каждый из которых выполняет свою задачу и работает при разной степени разрежения газа в вакуумной камере. К инструментам вакуумной техники относятся также различные измерительные приборы, используемые для определения качества созданного вакуума.

Физический вакуум

Физическим вакуумом называют идеализированное понятие пространства, в котором нет частиц. Экспериментально такого состояния достичь невозможно, отдельные атомы и ионы есть даже в чрезвычайно разреженной межгалактическом пространстве. Абстрактное понятие физического вакуума используется, например, для определения скорости света, как скорости распространения электромагнитного взаимодействия в пустоте без частиц.

Хотя может показаться, что пустое пространство является простейшей физической системой, в действительности это не так. Развитие квантовой механики показал, что вакуум является сложным физическим объектом, свойства которого еще не совсем понятны.

Во-первых, вакуум, пожалуй, заполненный нулевыми колебаниями электромагнитного поля. квантами электромагнитного поля являются фотоны, частицы принадлежащих к бозонов. Волновые функции бозонов в низком состоянии не равны нулю. При квантовании поля бозонов, они рассматриваются как гармонические осцилляторы. В основном состоянии бозоны имеют не только отличную от нуля волновую функцию, но и ненулевую энергию. Так, вакуум заполнен нулевыми колебаниями различных мод электромагнитного и других бозонних полей со всеми возможными волновыми векторами, направлениями прозповсюдження и поляризациями. Каждая из этих мод имеет энергию, где — сводная постоянная Планка, а ? — циклическая частота. Это порождает проблему энергии вакуума, поскольку таких мод бесконечно много, и суммарная энергия вакуума должна быть бесконечной. Однако, физические эксперименты, в частности Лэмб смещение и эффект Казимира свидетельствуют о том, что нулевые колебания электромагнитного поля — реальность, и, что они могут взаимодействовать с другими физическими объектами.

Другая идея, которая еще больше осложняет понимание вакуума, связанная с уравнением Дирака, описывающее релятивистскую квантовую частицу, в частности электрон.Уравнение Дирака для свободного электрона имеет четыре развязки, два из них с отрицательной энергией. Поль Дирак показал, что с помощью операции зарядового сопряжения эти развязки можно трактовать, как развязки с положительной энергией, но для частицы с противоположным, положительным, зарядом, т.е. античастицы электрона. Такая античастица была обнаружена экспериментально и получила название позитрона.

Трактовка Дирака похоже на терии полупроводников, Частицы, электроны, аналогичные электронам проводимости, тогда как античастицы, позитроны, аналогичные дырками.В основном состоянии, соответствующем вакуума, все энергетические состояния с отрицательной энергией, заполнены, а позитрон соответствует незаполненном состоянию.

При рассмотрении взаимодействий между частицами в квантовой электродинамике часто необходимо учитывать возможность образования из вакуума виртуальных электрон-позитронных пар.

Конструктивные типы вакуумных насосов.

Если говорить об уровне вакуума и его использовании в промышленных и исследовательских целях, то:

— в массовой мировой промышленности очень широко применяют форвакуум и средний вакуум;

— в более редких высоких технологиях используют форвакуум, средний и высокий вакуум;

— в лабораториях и исследованиях можно встретить все классы вакуума, в т.ч. и сверхвысокий.

Для получения всех классов в промышленности применяют различные конструкции вакуумных насосов, основные типы которых приведены в Таблице 3.

Таблица 3
Мембранный вакуумный насос: — 1 ступень откачки — 2 ступени откачки — 3 ступени откачки — 4 ступени откачки		Соответственно работа в диапазоне: — от 100 мбар абс. до атмосферного давления — от 10 мбар абс. до атмосферного давления — от 2 мбар абс. до атмосферного давления — от 0,5 мбар абс. до атмосферного давления
Вихревая воздуходувка		от 600 мбар абс. до атмосферного давления
Двухроторнвя воздуходувка		от 400 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой пластинчато-роторный вакуумный насос		от 150 мбар абс. до атмосферного давления
Водокольцевой вакуумный насос		от 33 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой кулачковый вакуумный насос		от 20 мбар абс. до атмосферного давления
Пластинчато-роторный вакуумный насос с рецикркуляционной смазкой		от 0,5 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой спиральный вакуумный насос		от 0,01 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой винтовой вакуумный насос		от 0,01 мбар абс. до атмосферного давления
2-х ступенчатый пластинчато-роторный вакуумный насос с масляной ванной		от 0,0005 мбар абс. до атмосферного давления
Сухой вакуумный насос Рутса (бустерный)		от 0,001 до 25 мбар абс.
Высоковакуумные насосы: — турбомолекулярные — диффузионные паромасляные — криогенные — магниторазрядные — сорбционные, ионные и гетероионные		от 10-11 до 5 мбар абс.

В этом разделе основной акцент сделан на насосы для получения форвакуума, т.к. это самая востребованная ниша рынка вакуумного оборудования, и не только в России и странах СНГ, а и во всем мире.

Следует также знать, что высоковакуумные насосы не могут работать без вакуумных насосов фор- и среднего вакуума, т.к. они стартуют в работу только с пониженных давлений (как правило, со среднего вакуума) и выхлоп у них должен происходить в зону вакуума, иначе высокий и сверхвысокий вакуум недостижим. Т.о. форвакуумные насосы и насосы среднего вакуума востребованы во всех отраслях промышленности, высокотехнологичных сферах и в научных исследованиях.

Виды вакууматоров

Вакуумные запайщики по типу назначения бывают бытовыми и промышленными. Отличаются между собой мощностью, размерами, а также сложностью устройства.

Промышленные вакууматоры

Промышленные устройства для вакуумной упаковки делятся на несколько видов:

1. Камерные. Имеют специальную камеру, в которую помещается контейнер. Сначала происходит выкачивание воздуха из камеры, затем из самого контейнера. Это обеспечивает более качественную и надежную герметизацию. В устройство встроен специальный аппарат для склеивания пленки вакуумной продукции, который запаивает края. Бывают напольные и настольные варианты оборудования.
2. Термоформующие машины. Для упаковывания используется пленка для вакууматора, которая покрывает специальную подложку. Это наиболее распространенный вариант оборудования, которое применяется на крупном производстве, так как обладает очень высокой производительностью.

Бытовые вакууматоры

В домашних условиях чаще всего используется бескамерный вакуумный запайщик. В таком устройстве обрабатываются пакеты или пленка для вакуумного упаковщика в рулонах. В прибор помещается край пакета, из которого отводится воздух, а затем материал запаивается. Такое оборудование не подходит для обработки жидкостей, применяется для бытового назначения или на малых торговых предприятиях. Устройство имеет компактный размер, легко транспортируется, не занимает много места.