Software. Software Tool: selezione vuoto

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1 Software Software Tool: selezione vuoto Con il software per il dimensionamento di componenti per il vuoto, Festo offre un pratico strumento per selezionare l unità di aspirazione più adatta: area/software/ Programma di selezione per il calcolo della massa del pezzo Programma per la selezione dell unità di aspirazione 2 - con riserva di modifiche

2 Guida pratica al sistema

3 Guida pratica al sistema Edizione 09/2001 Per la stampa di questo catalogo è stata utilizzata carta prodotta senza impiego di cloro nel rispetto dell ambiente. Tuttiidatitecnicisonoaggiornati alla data della stampa. Tutti i testi, tabelle e illustrazioni di questa documentazione sono proprietà Festo. E severamente vietatalariproduzione,ladiffusioneaterzi,nonchèl usoarbitrario, totale o parziale, del contenuto di questa documentazione, senzanostrapreviaautorizzazione. Qualsiasi infrazione comporta ilrisarcimentodeidanni.tuttiidiritti sono riservati, ivi compreso il diritto di deposito brevetti, modelli registrati. Per qualsiasi controversia fare riferimento alle Condizioni generali di fornitura Festo S.p.A. Per effetto del costante aggiornamentotecnicofestosiriservail diritto di modifica dei dati. Festo S.p.A. Via Enrico Fermi 36/38 I Assago (MI) Tel.: Fax: con riserva di modifiche 01/09

4 Guidapraticaalsistemaperlatecnicadelvuoto Indice argomenti Principi fondamentali Principi fondamentali e leggi fisiche della tecnica del vuoto. Descrizione e confronto di singoli componenti per la generazione del vuoto. pagina 12 Principi fondamentali Procedure di selezione dei componenti e loro configurazione. Descrizione tecnica dettagliata dei prodotti Festo. Pagina 38 Esempi di applicazione Componenti per il vuoto e loro vantaggi. Gli esempi pratici riportati illustrano l ampia gamma di applicazione dei prodotti Festo. Pagina 184 Indice prodotti (per tipo) Indice prodotti (per descrizione) Pagina 194 Pagina 195 Indice Esempi di applicazione - con riserva di modifiche 3

5 Guidapraticadisistenasistemaperlatecnicadelvuoto Indice Informazioni generali Pagina Indice 4 Introduzione 6 Panoramica generale 7 Principi fondamentali Principi fondamentali della tecnica del vuoto Che cos è il vuoto? 12 Per cosa viene utilizzato? 12 Comprendere il vuoto 12 Range di vuoto 13 Misurazione della pressione o del vuoto 13 Definizioni e specificazioni utilizzate per il vuoto 14 Unità di misura 15 Pressione atmosferica 16 Effetti sulla tecnica del vuoto 17 Normeedirettive 17 Componenti per la generazione del vuoto Generatori di vuoto ad effetto Venturi 18 Pompe volumetriche per il vuoto 20 Pompe cinetiche per il vuoto 20 Il vuoto nella tecnica di manipolazione Impiego razionale del vuoto 22 Generatori di vuoto a confronto 23 Confronto tra costi di energia di generatori e pompe per il vuoto 28 Trafilamenti nei sistemi operanti con il vuoto 32 Selezione dei generatori di vuoto per sistemi non a tenuta 33 Simboli grafici 36 Schemi 37 Festo Panoramica componenti per il vuoto 38 Generatori di vuoto VN 62 Generatori di vuoto VAD/VAK 80 Generatori di vuoto VADM/VADMI 84 Generatore di vuoto VAD-M 100 Unità di aspirazione ESG 108 Ventose VAS/VASB 164 Valvole di aspirazione ISV 176 Vacuometro VAM 180 Vacuostato con riserva di modifiche

6 Guidapraticaalsistemaperlatecnicadelvuoto Indice Esempi di applicazioni Pagina Esempi pratici 184 Applicazioni nell industria automobilistica 186 Applicazione nell industria del Food & Packaging 189 Applicazioni nell industria elettronica 192 Esempi di applicazioni Indice prodotti (per tipo) Indice prodotti (per descrizione) Indice - con riserva di modifiche 5

7 Introduzione Contenuti, obiettivi e destinatari di questa guida pratica al sistema Festo è sinonimo di qualità, funzionalità e performance. Questa affermazione vale sicuramente anche per la tecnica del vuoto, uno dei numerosi settori di attività, nei quali Festo riveste un ruolo dominante come fornitore di sistemi e componenti. Il 2001 è stato per Festo l anno dedicato alla tecnica del vuoto. Questa guida pratica al sistema fornisce informazioni generali, spunti applicativi e supporti operativi agli utilizzatori della tecnica del vuoto. E stata realizzata in risposta alla reale necessità di disporre diuntestodedicatoaquesto settore e per soddisfare le richieste di clienti e colleghi. L impegno Festo ha portato alla realizzazione di un opera di consultazione chiara e comprensibile, adatta sia agli addetti che ai profani, in grado di fornire interessanti conoscenze tecniche e fisiche. La guida pratica al sistema comprende inoltre informazioni complete di prodotto con esempi applicativi e strumenti di selezione componenti per facilitare la configurazione del sistema. Principi fondamentali della tecnica del vuoto e componenti per la generazione del vuoto. Questi temi vengono ampiamente trattati nel primo capitolo della guida. Questa sezione è infatti dedicata alle nozioni di base, alle informazioni relative a generazione, misurazione, consumi energetici e determinaizone dei costi produttivi, come pure alle leggi fisiche alle quali è soggetta la tecnica del vuoto. Vengono inoltre descritti e confrontati singoli componenti impiegati per la generazione del vuoto. La tecnica del vuoto nelle sue applicazioni pratiche è l altro argomento trattato in questa sezione della guida. Vengono infatti descritti gli ambiti applicativi per un impiego razionale della tecnica del vuoto. Viene inoltre illustrata la simbologia tecnica e la lettura deglischemipneumatici. e prodotti Festo. La seconda parte della guida fornisce informazioni sulla corretta procedura per la scelta di componenti adatti, partendo da un esempio pratico per arrivare - passo dopo passo - alla configurazione corretta. Per ogni famiglia di prodotto vengono spiegati esaurientemente i rispettivi principi di funzionamentoeleprestazioni.leinformazioni sono sempre completate dai dati tecnici, come la comparazione diretta tra singoli componenti per stabilirne il rendimento in funzione del vuoto, e le proprietà dei materiali impiegati. Applicazioni La terza parte della guida è dedicata agli esempi applicativi e intende fornire al lettore una conoscenza diretta dei prodotti Festo e dei vantaggi del loro impiego nella tecnica del vuoto. -H- Attenzione Per rimandare a pagine specifiche viene utilizzato il seguente simbolo: per es. 10 La guida si articola in tre parti principali, per consentire al lettoreunasceltamirata: Principifondamentali ( in generale), ( Festo), Applicazioni (Esempi pratici). 6 - con riserva di modifiche

8 Panoramica generale Cenni teorici Che cos è il vuoto? Range di vuoto Unità di misura utilizzate Principi fondamentali della tecnica del vuoto Ilvuotoèunospaziocompletamente libero da materia ( vuoto P [pa] P [mbar] Esistono numerose unità di misura nazionali ed internazionali. assoluto ). Nella pratica si parla di vuoto anchequandolapressionedell aria di un ambiente è inferiore a quella atmosferica. GV Vuoto grossolano FV Vuoto medio-alto HV Vuoto spinto Quelle più comunemente diffuse sono Pascal (Pa) e bar. UHV Vuoto ultraspinto 100Pa = 1hPa 1hPa = 1mbar 1 mbar = 0,001 bar Il livello del vuoto viene spesso espresso anche in %, in questo casoivalorisiintendonosempre relativi. Per che cosa viene utilizzato? Il vuoto svolge un ruolo fondamentale per la ricerca nei campi della chimica, biologia e fisica. E inoltre indispensabile per lo svolgimento di importanti processi industriali. Misurazione della pressione o del vuoto Nelrangedelvuotogrossolano vengono impiegati prevalentemente manometri meccanici, ma anche digitali. Per il vuoto spinto e ultraspinto vengono impiegati strumenti di misura particolarmente sensibili. Pressione atmosferica Altitudine [km] Curva caratteristica della pressione dell aria Pressione dell aria [hpa] 1 Monte Everest 2 Festo 3 Livello del mare Comprendere il vuoto L ariaècostituitadaunamiscela di gas con una densità di ca particelle per m 3 d aria alla pressione di un bar. Le particelle presenti nell aria esercitano una pressione, ovvero una forza sulle pareti dell ambiente definito. Quanto più bassa è la densità di particelle, tanto minoreèlaforzaesercitatasulle pareti. Pressione = Forza Superficie Un valore di vuoto pari al 100% indicherebbe la totale assenza di particelle. Pressione = 0. Specificazioni utilizzate per il vuoto Il vuoto può essere specificato come valore assoluto, cioè con segno positivo da 1 a 0, con 0 come zero assoluto, oppure come valore relativo con segno negativo da 0 a -1 bar, con 0 come punto di riferimento, oppure in %. Effetti sulla tecnica del vuoto Con l aumento dell altitudine si abbassa la pressione atmosferica. Per questa ragione si abbassa il livello di vuoto raggiungibile da un generatore. Ciononostante rimane inalterato il livello di rendimento, in questo caso dell 80%. - con riserva di modifiche 7

9 Panoramica generale Cenni teorici Componenti per la generazione del vuoto Generatori di vuoto ad effetto Venturi Pompe volumetriche per il vuoto Pompe cinetiche per il vuoto Questi generatori lavorano secondo il principio Venturi, vale a dire sono ad azionamento pneumatico e presentano una costruzione più semplice rispetto ad altritipidigeneratori. L aria che entra in uno spazio viene meccanicamente chiusa, compressa ed espulsa. In questo modo è possibile ottenere un alto livello di vuoto a fronte di una portata molto ridotta. Per effetto di forze meccaniche supplementari, l aria viene forzata in un flusso in direzione di uscita. Questo tuttavia consente di raggiungere un livello di vuoto relativamente basso, a fronte di un elevato volume di aspirazione. Principio di funzionamento I componenti principali sono l ugello emettitore (ugello Venturi) e almeno un ugello ricevitore. L aria compressa accelerata produce un effetto di aspirazione tra i due ugelli (vuoto). Esistono diverse esecuzioni: eiettori monostadio o multistadio. Lato pressione Valvola di scarico Valvola di Pistone immissione Lato aspirazione A seconda del principio di funzionamento, l aria viene trascinata in un flusso per mezzo di una girante sul lato aspirazione, oppure compressa mediante camere a palette. Le pompe sono disponibili per esempio nelle esecuzioni come compressore per il vuoto o pompe pneumofore. Caratteristiche Elevati livelli di vuoto a fronte di portate relativamente basse Ridotta manutenzione senza parti soggette ad usura Soluzione a basso costo Costruzione compatta e peso contenuto Qualsiasi posizione di montaggio Vuoto spinto fino a -0,98 bar pressione d esercizio Ridotta manutenzione Grandidimensioniepesoelevato Limitate posizioni di montaggio Portate elevate, basso livello di vuoto Consistente manutenzione Applicazione Vasta gamma di applicazioni, per esempio nella tecnica di manipolazioneediprocesso. Ampie possibilità di impiego nell industria e nella ricerca. Utilizzate prevalentemente per processi industriali di precisione. 8 - con riserva di modifiche

10 Panoramica generale Cenni teorici Impiego razionale del vuoto La vasta gamma di varianti di componenti per il vuoto ne consente l impiego ottimale in molte applicazioni industriali. sollevamento movimentazione Fattori importanti per la scelta: peso, temperatura, forma e caratteristiche superficiali del pezzo. Velocità per unità di tempo Corsaedistanzeditraslazione Il vuoto nella tecnica di manipolazione stoccaggio caricamento trasporto rotazione bloccaggio lavorazione ad asportazione di truciolo arresto inserimento spostamento traslazione Vantaggi del vuoto: manipolazione controllata Costruzione compatta, peso contenuto e ingombri ridotti Veloci tempi di ciclo Ridotta manutenzione Soluzione a basso costo Variabili/Criteri monostadio multistadio Generatori di vuoto a confronto Portata di aspirazione Tempo di generazione del vuoto Costi di approvvigionamento medio molto breve nel range superiore di vuoto a partire da % ridotti Rumorosità relativamente alta ridotta alto ad un basso livello di vuotofinoaca.50% molto breve nel range inferiore di vuotofinoa % relativamente alti Entrambiiprincipipresentano vantaggi e svantaggi, di difficile comparazione. Con l impiego di componenti ottimizzati, entrambi iprincipioffronounampiospettro di possibilità di impiego. Tempo di generazione del vuoto Tempo di generazione del vuoto = tempo (s), necessario per generare un determinato livello di vuoto. Consumo d aria Consumo d aria = consumo d aria (l/min) del generatore, per generare un determinato livello di vuoto. Rendimento La seguente formula permette unavalidacomparazionedidiversi principi di funzionamento: Rendimento = tempo di generazione del vuoto, consumo d aria e volume in funzione del vuoto. Portata di aspirazione Nondiradoilrendimentodiun eiettore viene erroneamente misurato con portata di aspirazione a0bar. Portata di aspirazione = quantità d aria (l/min), che un eiettore è in grado di aspirare. Importanti valori di comparazione - con riserva di modifiche 9

11 Panoramica generale Cenni teorici Il vuoto nella tecnica di manipolazione Comparazione dei costi energetici trageneratoridivuotoventurie pompe elettriche per il vuoto Trafilamenti nei sistemi operanti con il vuoto Selezionedigeneratoridivuoto in base al trafilamento Per produrre aria compressa dall aria atmosferica, tenendo conto dei costi (per es. costi di investimento, materiali, salari, ecc.) si stima un costo di ca. 0,02 per m 3 di volume ad una pressione di 7 bar. Generatori di vuoto ad effetto Venturi Elevato consumo d aria, tuttavia compensato dalla funzione di risparmio energetico Nessuna manutenzione per l assenza di parti in movimento Peso contenuto e dimensioni ridotte di componenti, qualsiasi posizione di montaggio possibile Nessuna connessione elettrica Livello di vuoto relativamente alto (fino a 85 % vuoto) Ridotticostidiapprovvigionamento Pompe elettriche per il vuoto Livello di vuoto molto alto (fino a 99,99 %) Elevato volume di aspirazione (pompa pneumofora) fino a max. 1200m 3 /h Elevato consumo di corrente per il funzionamento continuo delle pompe Alti costi di approvvigionamento e necessità di manutenzione costante Peso e ingombro elevati, posizioni di montaggio fisse Se un unità di aspirazione non è in grado di assicurare la perfetta tenuta del sistema contro l aria atmosferica, si dice che il sistema perde. Il trafilamento può essere causato per esempio da superfici ruvide o irregolari dei pezzi, o da materiali permeabili all aria. In questo caso, per ottenere il livello di vuoto richiesto, è possibile: prevedere generatori di vuoto più potenti ridurre il diametro della ventosa. E comunque consigliabile eseguire delle prove, per determinare l entità del trafilamento e scegliere di conseguenza il generatore di vuoto più appropriato. Come procedere Determinazione del trafilamento: eseguire una configurazione di prova misurare il livello di vuoto raggiunto confrontare il risultato con la curva del diagramma Capacità di aspirazione in funzione del vuoto ( 34) Differenza capacità di aspirazione = trafilamento Dimensionamento del generatore di vuoto: punto di intersezione del trafilamento calcolato con le curve di altri generatori di vuoto determinazione del vuoto raggiungibile mediante proiezione verso il basso dei punti di intersezione con i trafilamenti Selezione del generatore di vuoto, che garantisce il livello di vuoto necessario Caratteristiche, esempio di calcolo e comparazione dei costi energetici sezioni seguenti con riserva di modifiche

12 Panoramica generale Esempi di applicazioni - con riserva di modifiche 11

13 Principi fondamentali della tecnica del vuoto Cenni teorici Principi fondamentali Che cos è il vuoto? Il vuoto è uno stato raggiungibile sperimentalmente, così viene definito in fisica. Per vuoto si intende uno spazio completamente libero da materia (frequentemente denominato vuoto assoluto ). Questa condizione non è tuttavia realizzabile in pratica. Per questa ragione si parla di vuoto quando la pressione dell aria all interno di un ambiente è inferiore a quella atmosferica o quando la densità delle particelle contenute nell aria è ridotta. Ogni ambiente, ogni spazio contiene particelle di materia come i protoni e gli elettroni e particelle prive di massa come i fotoni, la cui caratteristica è quella di trasportare energia alla velocità della luce. Per cosa viene utilizzato? L uomo studia il vuoto dal 17º secolo ( emisferi di Magdeburgo ). Oggi non è più possibile immaginare un attività di ricerca moderna che non includa lo studio e l applicazione del vuoto. In chimica si studiano le reazioni delle sostanze nel vuoto, la biologia studia gli effetti del vuoto sugli organismi, e alcune branche della fisica (fisica quantistica, teoria dei campi, ecc.) si occupano della ricerca sulle particelle, le cui proprietà possono essere meglio osservate in condizioni di vuoto. Ilvuotohaoggitrovatounasua collocazione in importanti processi industriali, non realizzabili senza applicazione del vuoto. A titolo di esempio vale citare la produzione dei semiconduttori o la spettroscopia di massa. Anche nel settore della tecnica di manipolazione, per esempio per le operazioni di sollevamento, bloccaggio, rotazione e trasporto di pezzi di qualsiasi genere, l impiego della tecnica del vuoto permette di sviluppare e realizzare nuove soluzioni di applicazione. Comprendere il vuoto L aria è costituia da una miscela digas,checontieneca particelle per ogni m 3,adunapressione di 1 bar. Azoto 78% Altri gas 1% Ossigeno 21% Nell atmosfera, questa miscela di gas è costituita dai seguenti gas nelle proporzioni indicate. 78 %Azoto 21 %Ossigeno 1% Altrigas (ad es. ossido di carbonio e argon) Per raggiungere la condizione di vuoto, l ambiente deve essere vuoto, quindi privo anche di sostanze gassose. Diconseguenzalapressionepresente in questo spazio è molto bassa, perchè non vi sono particelle - o ve ne sono molto poche - che esercitino una forza su una superficie causata dal loro impatto contro le pareti. La pressione viene pertanto definita nel modo seguente: Pressione = Forza Superficie In teoria, nel vuoto assoluto, cioè in totale assenza di particelle di materia, la pressione è = 0. Manometro Manometro piccolo numero di particelleaparitàditemperatura bassa pressione grande numero di particelleaparitàditemperatura alta pressione Nella realtà questo non è possibile, perchè anche in condizioni di vuoto ultraspinto la pressione si riduce considerevolmente (ca. tra 10-8 e10-11 mbar), tuttavia la densità delle particelle è comunque ancora pari a ca. 2,5 x particelle per m 3. Vale pertanto la regola: Minore è la densità di particelle, minore è la pressione con riserva di modifiche

14 Principi fondamentali della tecnica del vuoto Range di vuoto Nella pratica, l ampio range del vuoto realizzabile tecnicamente che ormai raggiunge la 16esima potenza, viene solitamente suddiviso in intervalli più piccoli. Si ottengono quindi i seguenti intervalli di vuoto, che si differenziano per proprietà fisiche e requisiti tecnici. Range di vuoto GV Vuoto grossolano FV Vuoto medio-alto HV Vuoto spinto UHV Vuoto ultraspinto P [pa] P [mbar] Manipolazione: nel settore della manipolazione il vuoto viene utilizzato in questo range di valori. Principi fondamentali Range di vuoto Intervallo di pressione (assoluto) Vuoto grossolano Pressione ambientale... 1mbar Applicazioni Settore di impiego della tecnica di manipolazione industriale. Nella pratica il livello di vuoto viene spesso indicato in misura percentuale, vale a dire il vuoto viene definito in rapporto alla pressione ambientale. I materiali e le caratteristiche superficiali dei pezzi hanno un importanza fondamentale nelle applicazioni con il vuoto. Vuoto medio-alto mbar Degassificazione dell acciaio, produzione di lampade a incandescenza, essiccazione di materie plastiche, liofilizzazione di alimenti,ecc... Vuoto spinto mbar Fusione o ricottura di metalli, produzione valvole elettroniche. Vuoto ultraspinto mbar Polverizzazione dei metalli, evaporazione (rivestimento) di metalli e fusione a fascio elettronico. Lapressioneèdefinitacomeforza per unità di superficie. L aria è una miscela di gas composta da molte particelle (atomi e molecole). Le particelle contenute nell aria sono in continuo movimento. Quando incontrano una qualsiasi superficie, esercitano una forza. I valori di pressione o di vuoto si misurano prendendo come riferimento un unità di superficie e misurando quindi il numero e l intensità di questi impatti sulla superficie. Le misurazioni sono necessarie per controllare e verificare i processi. Per questa ragione tutti gli strumentidimisuradevonoessere calibrati, vale a dire che i singoli strumenti di misura con la stessa funzione devono essere regolati in modo tale da fornire risultati identici alle stesse condizioni. Per misurare i valori di vuoto esistono diversi strumenti tecnici, indispensabili per le applicazioni in campo industriale e di ricerca. Per il vuoto grossolano vengono generalmente utilizzati manometri (vacuometri) regolati secondo il grado di precisione richiesto. I manometri possono essere di diversi tipi, a funzionamento sia meccanico sia digitale. I manometri meccanici più conosciuti sono: Manometri a molla tubolare, Manometri a capsula, Manometri a piastra, Manometri digitali. Per il vuoto spinto e ultraspinto vengono impiegati strumenti di misura particolarmente sensibili. Nella determinazione dei risultati della misurazione entrano in gioco numerosi altri fattori. E importante tener conto che vi sono due diverse possibilità per rappresentare lo stesso risultato della misurazione. Misurazione della pressione o del vuoto 1 Molla tubolare 2 Supporto della molla 3 Terminale della molla 4 Segmento 5 Tirante 6 Ingranaggio 7 Alberino lancetta 8 Molla a spirale 9 Lancetta aj Quadrante - con riserva di modifiche 13

15 Principi fondamentali della tecnica del vuoto Definizioni e specificazioni utilizzate per il vuoto Principi fondamentali A questo punto è importante sottolineare che per il concetto di vuoto si utilizzano numerose definizioni Vuoto Definizione corretta - specificato come%soloinunrangecompreso tra 0-1 bar pressione assoluta. Pressione del vuoto Questa definizione non è corretta perché il termine vuoto è già di per sé una indicazione di pressione. Bassa pressione Questa definizione non è più in uso e quindi non dovrebbe più essere utilizzata. sia tecniche che colloquiali. Per maggiorechiarezzaèquindibene spiegare le diverse definizioni. Pressione di esercizio Definizione corretta - Pressione d esercizio 0 bar pressione relativa corrisponde ad 1 bar di pressione assoluta. Il vuoto viene generalmente specificato come valore di pressione d esercizio relativa,precedutodalsegnomeno. La pressione d esercizio può essere specificata correttamente in due modi: come valore relativo o assoluto. Entrambe queste modalità vengono utilizzate anche nella tecnica del vuoto, per cui è utile una spiegazione dei diversi termini. Vuoto come valore assoluto Applicazione: in campo scientifico e nei range di vuoto medio-alto e alto. Principio: il vuoto viene indicato come valore assoluto riferito al punto zero assoluto, vale a dire 0 bar è il valore inferiore e corrisponde al 100% di vuoto. Nel range del vuoto1barèquindiilvaloremassimo e corrisponde alla pressione ambiente media. Caratteristica: i valori di vuoto sono preceduti dal segno positivo. Range di vuoto bar La tabella riporta le varie possibilità di indicazione della pressione o del vuoto. Pressione di esercizio Vuoto Pressione assoluta [bar] [%] [bar] ,1 10 0,9 0,2 20 0,8 0,3 30 0,7 0,4 40 0,6 0,5 50 0,5 0,6 60 0,4 0,7 70 0,3 0,8 80 0,2 0, ,15 0,9 90 0,1 0, , Vuoto come valore relativo Applicazione: nelrangedivuotogrossolanoodi lavoro (per esempio per applicazioni Festo) Principio: il vuoto viene indicato come valore relativo riferito alla pressione ambiente, cioè il valore di vuoto è preceduto dal segno meno, poiché per la pressione ambiente (pressione atmosferica) viene assunto il valore 0 come punto di riferimento. Il valore inferiore, quindi anche il 100% di vuoto, corrisponde a -1 bar di pressione d esercizio relativa. Caratteristica: I valori di vuoto sono preceduti dal segno meno. Range di vuoto bar 14 - con riserva di modifiche

16 Principi fondamentali della tecnica del vuoto Unità di misura utilizzate Come descritto nel paragrafo Definizioni e specificazioni utilizzate per il vuoto, vi sono due possibilità per indicare il vuoto: Come unità di pressione (relativa o assoluta) Come numero percentuale Per indicare il vuoto come unità di pressione vi sono numerose unità di misura nazionali ed internazionali. Queste sono riportate nella seguente tabella di conversione (tabella internazionale di conversione vuoto/pressione). L unitàdimisuraufficialeedattualmente valida per il vuoto è il Pascal (Pa). Questa tuttavia viene utilizzata raramente. Nella pratica vengono adottati, soprattutto nel range del vuoto grossolano (tecnica di manipolazione) i bar, mbar o i valori percentuali. Anche in questa guida pratica vengono utilizzate esclusivamente le unità di misura bar e %. Le indicazioni di vuoto in bar si intendono sempre come valori relativi (descritti al paragrafo Vuoto come valore relativo ). Per le unità di pressione più comunemente utilizzate valgono le seguenti equivalenze: 100Pa = 1hPa 1hPa = 1mbar 1 mbar = 0,001 bar Per semplicità il vuoto viene generalmente indicato con un valore numerico percentuale compreso tra 0 e 100%. Questo valore si intende sempre relativo. Le tabelle di conversione sotto riportate (tabella internazionale di conversione vuoto/pressione) sono un utile strumento per esprimere questi valori in relazione ad altre unità di misura. Principi fondamentali Tabella internazionale di conversione vuoto/pressione Unità bar N/cm 2 kpa atm, kp/ cm 2 mh 2 O Torr, mm Hg in Hg psi bar ,0197 1, ,06 29,54 14,5 N/cm 2 0, ,1019 0, ,006 2,954 1,45 kpa 0,01 0,1 1 0,0102 0,0102 7,5006 0,2954 0,145 atm, kp/cm 2 0,9807 9,807 98, ,56 28,97 14,22 mh 2 O 0,9807 9,807 98, ,56 28,97 14,22 Torr, mm Hg 0, , ,1333 0, , ,0394 0,0193 in Hg 0,0338 0,3385 3,885 0, , ,35 1 0,49 psi 0,0689 0,6896 6,896 0,0703 0, ,68 2,035 1 Tabella internazionale di conversione vuoto/pressione con comparazione assoluta e relativa Vuoto relativo Pressione residua assoluta [bar] Pressione relativa [bar] N/cm 2 kpa atm, kp/ cm 2 mh 2 O Torr, mm Hg 10 % 0,9 0,101 1,01 10,1 0,103 0, % 0,8 0,203 2,03 20,3 0,207 0, % 0,7 0,304 3,04 30,4 0,31 0, % 0,6 0,405 4,05 40,5 0,413 0, % 0,5 0,507 5,07 50,7 0,517 0, % 0,4 0,608 6,08 60,8 0,62 0, % 0,3 0,709 7,09 70,9 0,723 0, % 0,2 0,811 8,11 81,1 0,827 0, % 0,1 0,912 9,12 91,2 0,93 0, in Hg - con riserva di modifiche 15

17 Principi fondamentali della tecnica del vuoto La pressione atmosferica Principi fondamentali La terra, e quindi anche noi e tutto ciò che si trova sulla superficie della terra, è circondata da uno strato di aria di diversi chilometri di spessore. Questo strato d aria viene definito atmosfera terrestre o semplicemente atmosfera. Il peso di questa massa d aria preme sulla superficie terrestre, per effetto della forza di gravità, eproduceunapressionechiamata pressione atmosferica. Possiamo paragonare la nostra atmosfera ad una condizione di immersione in acqua. Noi infatti viviamo sul fondo di un mare d aria. La forza gravimetrica dell aria genera una pressione gravitazionale, la pressione at- mosferica. L unità di misura della pressione atmosferica attualmente utilizzataèhpa.questasiglaèl abbreviazione di Hektopascal (1 hpa = 1 mbar). La pressione dell aria in funzione dell altitudine può essere calcolata secondo l equazione barometrica di Boltzmann. Questa formula considera diversi fattori variabili. Per ottenere risultati precisi, oltre all altitudine è necessario considerare altri fattori, come la forza di gravità del luogo, densità e temperatura dell aria. Per semplificare il calcolo, temperatura e massa dell aria vengono considerate come costanti. Nella derivazione della formula, lo spessore dello strato d aria (ρ) e la pressione sulla superficie terrestre (p (h=0) ) vengono assunti come valori empirici. Questo tipo di semplificazioni i i della derivazione della formula rappresentano una idealizzazione. Altitudine [km] Curva caratteristica della pressione dell aria Pressione dell aria [hpa] 1 Monte Everest 2 Festo 3 Livello del mare Mediamente la pressione dell aria a livello del mare è pari a 1013,25 mbar. Immaginando una colonnad ariaconunasezionedi 1m 2, che partendo dalla superficie terrestre a livello del mare raggiunga il bordo esterno dell atmosfera 1), l aria esercita su questo m 2 di superifice terrestre una pressione di ca kg. p(h) = p (h=0) exp gh p (h=0) p(h) = Pressione atmosferica in funzione dell altitudine p (h = 0) = Pressione sulla superficie terrestre (1,013 bar) ρ = Spessore dello strato d aria (1,29 kg/m 3 ) h = Altitudine g = Accelerazione terrestre per effetto della gravità In linea generale valgono le seguenti asserzioni: Lapressioneatmosfericaalivellodelmareèpariaca mbar. A 2000 m sul livello del mare, la pressione si riduce di ca. 1 % ogni 100 m fino a 763 mbar. Aca.5.500mlapressioneè pari al 50% della pressione presente a livello del mare. Sulla cima del Monte Everest (8848m)lapressioneatmosfericaèdisoli330mbar. A m di altitudine questovalorescendea90mbar, 15 mbar a m e ca. 8 mbar a m di quota. Continuando a salire lungo una colonna immaginaria di aria, que- sta si accorcia sempre più, e si riduce di conseguenza la massa dell aria. Dato che riducendo la massa dell aria si abbassa la pressione dell aria stessa, ciò significa che aumentando l altitudinesiriducelapressioneatmosferica. Si dice infatti che l aria diventa più sottile. 1) La NASA identifica il limite estremo dell atmosfera a ca. 120 km sulla superficie terrestre. E stata tuttavia riscontratalapresenzadimolecoledi aria ad altezze ancora maggiori. Non è quindi determinabile il bordo dell atmosfera in modo definitivo con riserva di modifiche

18 Principi fondamentali della tecnica del vuoto Effetti delle variazioni di pressione atmosferica sul vuoto Pressione di esercizio [bar] Pressione atmosferica di Il calo della pressione con l incremento dell altitudine ha ovviamente degli effetti sulla tecnica del vuoto, ovvero sui generatori di vuoto. Dato che con l aumento dell altitudine si riduce la pressione atmosferica, si riduce anche la massima differenza di pressione ottenibileediconseguenzaanchela forza massima di presa di un unità di aspirazione; ciò significa che il livello di vuoto raggiungibile da un generatore di vuoto si riduce pur rimanendo invariato il livello di prestazione per esempio dell 80 % di vuoto ( vedi figura in basso). Norme e direttive vigenti Secondo le norme Festo FN per il settore del vuoto valgono le seguenti norme e direttive. Vuoto Tuttiigeneratoridivuotodescritti nella presente guida soggetti a questa norma lavorano nel range del vuoto grossolano. Secondo la normafesto,lapressionedirife- rimento per l indicazione e il cal- colodeivaloridipressioneè sempre la pressione media dell aria a livello del mare, di 1013,25 mbar. Normeedirettive DIN 1314 Pressione, definizioni base e unità DIN Parte 1 Definizioni generali Parte 2 Pompe per il vuoto Parte 3 Vacuometri Parte 8 Sistemi e componenti per il vuoto DIN Simboli grafici (panoramica) DIN Grandezze, simboli e unità (panoramica) Principi fondamentali Prestazione [p] Generatore di vuoto X = 80% Fattore di correzione Nella misurazione delle grandezze caratteristiche (consumo d aria, pressione, tempo di generazione del vuoto e capacità di aspirazione) è necessario tener conto delle fluttuazioni della pressione ambientale. Dato che tutte le pressioni misurate in laboratorio sono pressioni relative riferite alla pressione ambientale attuale, le fluttuazioni della pressione ambientale determinano una certa dispersione dei risultati misurati. Per questa ragione i risultati misurati vengono riferiti alla pressione di riferimento. La conversione viene effettuata con aiuto di un fattore di correzione (S), calcolato in base alla seguente equazione. FB 190 Linee guida per il vuoto (relazione sulla ricerca, ricerca Festo, Dr. Berger) FR Unità e grandezze fluidiche (Livello del mare) Come già spiegato, la pressione dell aria a livello del mare (0 m) è di ca mbar. Un generatore di vuoto con un livello di prestazione dell 80 % di vuoto raggiunge, a livello del mare, una pressione assoluta di ca. 0,2 bar (200 mbar). Aumentando l altitudine questa pressione si riduce. A 2000 m di altezza questa pressione scende in modo o lineare e di ca. 12,5 mbar per ogni 100 m fino a 763 mbar. Un generatore di vuoto mantiene comunque il livello di prestazione dell 80 % di vuoto, anche se questa percentuale è riferita all 80 % della pressione ambientale, che per effetto dell altitudine è scesa a 763 mbar. Questo generatore potrà quindi raggiungere solo una pressione assoluta massima di ca. 0,4026 bar (402,6 mbar). (Altezza sul livello del mare) Immaginando di portare lo stesso generatore di vuoto ad un altezza ancora maggiore sul livello del mare, per produrre ed applicare il vuoto, il livello di vuoto raggiungibile a questa altezza sarebbe ancora inferiore per la riduzione della pressione atmosferica, pur rimanendo inalterato il livello percentuale di prestazione dell 80. Ad una quota di ca m sul livello del mare, la pressione e dell ariaèsololametàdiquella presente a livello del mare (506 mbar). FR Misurazione della portata La forza di presa di un unità di aspirazione si riduce proporzionalmente al valore di vuoto raggiungibile. S = p ref p amb (p ref = 1013 mbar) Esempio: ad una pressione attuale di p amb = 975 mbar si ottiene un fattore di correzione S = 1,039. Il vuoto richiesto viene perciò prodotto ad un valore misurato di 750 bar (0,75 mbar) assoluto rispetto a P = 780 bar (0,78 mbar). - con riserva di modifiche 17

19 Componenti per la generazione del vuoto Generatori di vuoto ad effetto Venturi Principi fondamentali Introduzione Produrre il vuoto in un ambiente chiuso significa ridurre la pressione dell aria o del gas contenuti. A questo scopo è necessario eliminare o ridurre la quantità di particelle di gas presenti nel volume. Fondamentalmente esistono due modalità per produrre il vuoto: 1. il gas viene espulso dall ambiente chiuso ed evacuato in un altro ambiente o nell atmosfera. 2. Il gas viene combinato all interno del sistema, cioè condensato, assorbito o combinato chimicamente. Esistono numerosi generatori di vuoto che operano secondo diversi principi tecnici, e ottengono spesso la generica definizione di pompe per il vuoto. I generatori di vuoto si distinguono principalmente in tre tipologie, in base al loro principio di funzionamento: generatori di vuoto ad effetto Venturi, Pompe per il vuoto ad assorbimento di gas, Pompe per il vuoto a mandata di gas. Non è possibile fare un confronto diretto tra questi generatori di vuoto, perchè le loro caratteristiche tecniche, come design, funzionamento, settori di impiego e rendimento, sono troppo diverse tra loro. Ci limitiamo quindi a presentare una descrizione dei diversi tipi di generatori di vuoto, illustrandone le caratteristiche tecniche ed i vantaggi. Generatore di vuoto ad effetto Venturi (alto livello di vuoto - portata relativamente bassa) Informazioni generali Rispetto ad altre soluzioni più complesse sotto il profilo meccanico ed economico, questo tipo di generatore di vuoto è piuttosto semplice. Ciononostante offreunenormepotenzialediefficacia per la pratica quotidiana. Questi generatori di vuoto funzionano secondo il principio Venturi, valeadirelaproduzionedelvuoto avviene per mezzo di ugelli ad azionamento pneumatico senza parti mobili. La peculiarità di questo tipo di generatori è data dalla loro capacità di produrre un alto livello di vuoto a fronte di una portata relativamente bassa. Vi sono due versioni che possono montare diversi equipaggiamenti, come per esempio valvole, filtri, silenziatori, interruttori, ecc. L elemento principale per la generazione del vuoto, funziona comunque sempre secondo il principio Venturi. Principio di funzionamento Un tipico generatore di vuoto è costituito da un ugello emettitore (ugello Venturi) e, a seconda dell esecuzione, da almeno un ugello ricevitore. L aria compressa entra nell emettitore. Per effetto del restringimento dell ugello emettitore (ugello Venturi), passando attraverso l ugello, l aria subisce un accelerazione fino a 5 volte la velocità del suono. Tra l uscita dell ugello emettitore e l ingresso nell ugello ricevitore vi è una piccola distanza. L espansione dell aria compressa che esce dall ugello emettitore produce in questo spazio un effetto di aspirazione, che genera una depressione (vuoto) in uscita (attacco per il vuoto) Ugello Venturi Ugello ricevitore Esecuzioni Generatore monostadio: ( vedi figura in basso) Un generatore di vuoto monostadio comprende un ugello emettitore ed un solo ugello ricevitore. A valle dell ugello ricevitore, l aria di scarico viene generalmente convogliata in un silenziatore o direttamente nell atmosfera. Generatore multistadio: Anche il generatore multistadio è dotato di un ugello emettitore. Dietro il primo ugello ricevitore sono montati altri ugelli con diametri crescenti in misura proporzionale alla riduzione della pressione. In questo modo l aria aspirata dalla prima camera, mescolata con l aria compressa espulsa dell ugello emettitore, viene utilizzata come getto di propulsione per le camere successive. Dopo l ultimo ugello ricevitore, l aria viene generalmente espulsa attraverso un silenziatore. Attacco per vuoto 18 - con riserva di modifiche

20 Componenti per la generazione del vuoto Generatori di vuoto ad effetto Venturi Principi fondamentali Caratteristiche Generatori di vuoto ad effetto Venturi: totale assenza di manutenzioneeusura,perchèprividiparti mobili Ridotticostidiapprovvigionamento Bassi costi di energia, perchè il generatore viene inserito solo in caso di utilizzo Nessuno sviluppo di calore Costruzione compatta, possibili anche gli ingombri più ridotti Adatti per operazioni temporizzate Velocità di reazione Brevi linee tra il punto di generazione e di applicazione del vuoto Semplice montaggio, in qualsiasi posizione Peso ridotto Più funzioni integrabili sulla stessa unità Utile l impiego di aria compressa filtrata ed essiccata Attacco di alimentazione bar valore ottimale Applicazioni Generatori di vuoto ad effetto Venturi: industria automobilistica, nei sistemi di alimentazione dei pezzi Industria dell imballaggio Impiego con robot industriali in tutti i settori Tecnica di processo Sistemi di trasporto per materiali liquidi e sfusi - con riserva di modifiche 19

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