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 атмосфера.
«откачаем» 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 атмосфер.
«Теоретически» — 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.
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.
1.Таблица перевода дюймовых размеров в метрические
Непосвященному человеку довольно легко запутаться в изобилии существующих сегодня единиц измерения давления, усугубляемом использованием относительной и абсолютной шкал. Поэтому здесь помимо таблицы соответствий необходимо привести несколько определений и практических советов, которые, на наш взгляд, должны помочь неискушенному заказчику правильно определиться с выбором нужного ему насоса или компрессора.
Прежде всего, разберемся с абсолютным и относительным давлением.
Абсолютное давление — это давление, измеренное относительно абсолютного нуля давлений или, иначе говоря, абсолютного вакуума.
Относительное давление (в компрессорной технике- избыточное) — это давление, измеренное относительно земной атмосферы.
То есть, если мы используем в качестве единицы измерения кгс/см² (технические атмосферы), то абсолютный вакуум будет соответствовать нулю по абсолютной шкале и минус единице по относительной, тогда как атмосферное давление будет соответствовать единице по абсолютной шкале и нулю по относительной. Для компрессоров все проще — избыточное давление будет всегда на 1 атмосферу меньше абсолютного.
Поскольку на территории бывшего СССР очень часто в качестве вакуумметров используются трубки Бурдона, показывающие относительное давление в технических атмосферах (ат. или кгс/см²), чаще всего наши заказчики сталкиваются с необходимостью перевода относительных технических атмосфер в абсолютные миллибары и наоборот. Для этого используйте формулу:
[мбар. абс]=(1+[ат. отн.])*1000
например: -0,95 ат. отн.=(1-0,95)*1000=50 мбар абс.
Для перевода миллибар в Торры (мм. рт. ст.) или Паскали, запомните соотношение:
1 миллибар=100Па=0,75 мм. рт. ст.
Таблица соотношений между основными единицами измерения давления:
Какое давление выдерживает электросварная труба
Производство сварных стальных труб проще и дешевле изготовления бесшовной продукции. Кроме того, сортамент сварных изделий намного шире. Он включает следующие виды продукции:
- электросварные трубы общего назначения с прямым швом по ГОСТ 10704-91 наружным диаметром 10–630 мм;
- то же со спиральным швом по ГОСТ 8696-74 наружным диаметром 159 – 2 520 мм;
- водогазопроводные трубы по ГОСТ 3262-75 внутренним диаметром 6–150 мм;
- электросварные изделия для магистральных трубопроводов по ГОСТ 20295-85 наружным диаметром 114 – 1 420 мм.
Основное назначение круглых труб – устройство трубопроводов для прокачки жидкостей и газов. Поэтому многих интересует вопрос, какое давление выдерживает электросварная труба.
Гидравлические испытания стальных труб
В силу своего основного назначения круглые стальные трубы подвергаются обязательным гидравлическим испытаниям. Величина испытательного давления для разных видов труб установлена соответствующим нормативным документом или определяется расчётным путём по ГОСТ 3845-75.
Гидравлические испытания труб относятся к методам неразрушающего контроля. Основной целью их проведения является проверка под высоким давлением качества сварного шва на предмет его герметичности. Величины испытательного давления для разных видов сварных труб представлены в следующем списке:
- ГОСТ 10704-91 – трубы групп А и В диаметром до 103 мм испытывают под давлением 6 МПа, свыше 103 мм – 3 МПа;
- для этого же ассортимента труб, изготавливаемых по требованию заказчика с другим испытательным давлением, его величина определяется расчётным путём, но она не должна превышать 20 МПа;
- ГОСТ 8696-74 – величина испытательного давления определяется расчётным путём, но не может быть более 3,5 МПа;
- ГОСТ 3262-75 – величина испытательного давления составляет 2,4 МПа для обыкновенных и лёгких труб; 3,1 МПа – для изделий усиленной серии; 4,9 МПа – по требованию заказчика продукции;
- ГОСТ 20295-85 – величина испытательного давления определяется расчётным путём, для труб диаметром до 273 мм включительно она не должна превышать 12 МПа.
Напомним, что 1 МПа – это немногим меньше десяти атмосфер (точнее, 9,87 атм.). Фактически номинальное рабочее давление электросварных труб никогда не достигает испытательных величин. Например, в сетях отопления и холодного водоснабжения показатель рабочего давления не может превышать 9,5 атм. при оптимальном его значении 5–5,5 атм.
В технологических трубопроводах разных категорий для прокачки опасных веществ максимальное расчётное давление составляет от 1,6 до 6,3 МПа. Поэтому прохождение проверки испытательным давлением означает наличие у труб многократного запаса прочности. Время выдержки изделий под испытательным давлением зависит от вида труб и составляет такие величины:
- трубы по ГОСТ 10704-91 – 5 секунд;
- по ГОСТ 8696-74 – 30 секунд;
- по ГОСТ 3262-75 – 5 секунд;
- по ГОСТ 20295-85 – 10 секунд для труб диаметром до 530 мм и 20 сек. для изделий диметром 530 мм и более.
Гидравлическим испытаниям подвергают все электросварные трубы из партии. В некоторых случаях по согласованию с покупателем такие испытательные мероприятия можно заменить сплошным контролем качества сварного шва ультразвуковыми, магнитными, рентгеновскими или другими неразрушающими методами. Если в результате испытаний труб будут выявлены остаточные деформации, выходящие за рамки допусков, такие изделия бракуются.
Итоги гидравлических испытаний изделий оформляются протоколом, который входит в пакет сопроводительной документации для каждой партии труб. Производитель несёт полную ответственность за достоверность указанных в протоколах данных. Напомним ещё раз, что испытания давлением не предусматривают их проведения под разрушающими нагрузками.
Как определяется и от чего зависит величина испытательного давления
Покупатели по согласованию с производителем имеют право на заказ всех видов труб с расчётным испытательным давлением. Такие испытания проводятся в соответствии с ГОСТ 3845-75. В этом нормативном документе определены требования к испытательному оборудованию, измерительной аппаратуре, и установлена методика расчёта максимальной величины давления при проведении гидравлических испытаний для разных видов труб и используемого оборудования.
Расчётное испытательное давление для электросварных труб определяется по формулам, приведённым в ГОСТ 3845-75. Его величина зависит от таких факторов, как:
- наружный диаметр трубы;
- толщина стенок с учётом полного минусового допуска (то есть минимально допустимая величина);
- допустимые величины внутреннего напряжения для металла, использованного при изготовлении труб, которые указываются для каждой марки стали и являются одной из основных качественных характеристик сплавов.
С увеличением диаметра расчётная величина испытательного давления снижается. С увеличением толщины стенок она возрастает.
Это не означает, что гидравлические испытания труб должны всегда проводиться под расчётным давлением, – только в тех случаях, когда расчётная величина окажется ниже установленного для этих видов продукции предельного значения. В этих ситуациях потребитель получает возможность купить более дешёвые трубы со стенками меньшей толщины.
Такой подход не имеет альтернативы в отношении электросварных труб со спиральным швом и для магистральных трубопроводов. Применительно к сварным трубам общего назначения и ВГП им пользуются редко, поскольку речь идёт о заказе больших партий продукции у производителя.
Гидравлические испытания проводят для труб одной партии, из той же марки стали, одинаковых размеров по диаметру и толщине стенок, той же технологии изготовления и того же способа обработки. Максимальная величина партий труб для гидравлических испытаний не может превышать следующих значений:
- по ГОСТ 10704-91 – 1 000 шт. для труб диаметром до 30 мм включительно, 600 – для изделий диаметром св. 30 до 76 мм, 400 – св. 76 до 152 мм и 200 – св. 152 мм;
- по ГОСТ 8696-74 и ГОСТ 20295-85 – размер партии не нормируется, поскольку речь идёт о трубах большого диаметра минимальной величины 159 и 114 мм соответственно;
- по ГОСТ 3262-75 – величина партии для испытаний устанавливается по весу и не должна превышать 60 тонн.
В любом случае проведение гидравлических испытаний труб является сферой ответственности производителя. Другие формы контроля их качества не предусмотрены. Тем более что в подавляющем большинстве случаев потребители не имеют возможности перепроверить результаты испытаний.
Основные причины аварий на трубопроводах
Вопрос, какое давление выдерживает электросварная труба, зачастую подразумевает ответ с точки зрения риска возникновения аварийных ситуаций на инженерных сетях. Случаи порывов трубопроводов почти никогда не связаны с прочностью стальных труб. Обычно они происходят по таким причинам, как:
- коррозия труб за долгое время работы и из-за нарушений правил эксплуатации;
- дефекты стыковых соединений трубопроводов;
- неисправности трубопроводной арматуры и прочее.
Поэтому для трубопроводов различного назначения устанавливаются свои сроки службы. Например, на магистральных трубопроводах нефти и газа и на технологических сетях опасных производств трубы должны менять в установленные сроки независимо от их фактического состояния.
Относительно труб общего назначения можно сказать, что главной причиной их порывов является коррозия. Компенсировать её негативное воздействие для продления сроков службы трубопроводов можно за счёт выбора труб с большей толщиной стенок. Однако такое решение нельзя назвать лучшим. Намного эффективнее для этого использовать изолирующие материалы.
Наиболее уязвимой частью трубопроводов являются стыковые соединения. Это в равной мере относится к сварке и механическим соединениям на резьбе и уплотнителях. То же самое можно сказать в отношении трубопроводной арматуры. Её частью являются клапаны аварийного сброса давления, которые сводят на нет риски порывов труб.
В завершение отметим, что соответствующие требованиям нормативных документов трубы выдерживают очень большое давление – в 3–5 раз больше испытательных нагрузок. Поэтому потребителям не стоит беспокоиться по этому поводу при покупке новых труб. Намного важнее соблюдать правила эксплуатации трубопроводов, включая их регулярные проверки под повышенным давлением.
Как перевести давление в бар на давление в мегапаскалях (МПа), фунт силы (psi), килограмм силы (кгс см2) и атмосферы
Давление – важная физическая величина, часто использующаяся в автомобильной технике. Тут и самые простые случаи, например, всем известные требования к давлению в шинах и более скрытые, давление топлива, масла в двигателе и трансмиссии, многочисленные узлы гидравлики. При указании и измерении численных значений потребуется система единиц, которая различается в технических традициях разных стран и школ.
Что такое онлайн конвертер величин и как им пользоваться
Для перевода одних величин давления в другие можно использовать специально написанные скрипты (программы) с удобным пользовательским интерфейсом (пример ниже).
Калькулятор перевода давления в бар на давление в мегапаскалях, килограмм силы, фунт силы и атмосферах
1 MPa равен 9.8692 физическая атмосфера, 10.197 кгс/см², 145.04 фунт/дюйм², 10.19716 техническая атмосфера
Достаточно ввести в одно из полей формы нужное значение, как тут же во всех остальных появляются числа, рассчитанные по известным формулам перевода одних единиц в другие.
При наличии доступа в интернет переводить величины через такую онлайн-конвертацию очень удобно, не надо искать коэффициенты пересчёта, вспоминать формулы и пользоваться калькулятором.
Таблица перевода единиц измерения давления
Помимо конвертеров, существуют и таблицы перевода, где по вертикали выбирается одна величина, а по горизонтали другая. На пересечении строки и столбца обнаруживается искомое значение.
Ниже самые популярные переводы:
бар = 100 кПа
бар = 1 техн. атм (at)
бар = 750 мм рт. столба
бар = 0,1 МПа
бар = 1,0197 кГс/см 2
Таблицы могут быть двух видов:
Мультисистемные служат для определения соотношения между разными единицами измерения в любом сочетании. В этом случае таблица заполняется коэффициентами пересчёта.
Например, если выбрать строку «фунт на квадратный дюйм» (psi) и столбец «килопаскаль» (кПА), то на пересечении можно увидеть, что одному psi соответствует 6,895 кПА. Для дальнейших вычислений придётся воспользоваться операциями умножения или деления на калькуляторе.
Таблицы для выражения конкретных значений в одних единицах через другие. Обычно там числа располагаются парами, в определённом диапазоне от минимального давления до максимального, на который рассчитана данная таблица.
Результат получается с некоторой погрешностью, поскольку при выборе нужного числа приходится применять округление до ближайшего табличного значения. Чем больше в таблице пар чисел, тем точность выше. Практически высокая точность и не требуется.
Табличный метод излишне громоздок, поэтому устарел, расчёт с помощью конвертеров величин куда точнее и быстрее, а форма занимает меньше места на экране. Но при отсутствии электронных средств остаются только таблицы, они могут иметь бумажное исполнение, а считать на логарифмической линейке или в уме сейчас мало кто умеет и желает.
Какие единицы давления переводят чаще всего
При работе с автомобилями импортного производства приходится иметь дело с единицами совершенно непривычными, особенно это касается фунтов на квадратный дюйм (psi). Тут быстро сообразить в уме сколько это будет в привычных барах (bar) или атмосферах (атм) неподготовленному человеку затруднительно.
Даже если ему всё понятно с фунтом и дюймом, то с их сочетанием попадают в тупик. Приходится заглядывать в таблицы или специализированные калькуляторы. С прочими единицами ситуация не лучше.
Сколько бар в 1 МПа
Бар – единица внесистемная, но поскольку он примерно равен одной атмосфере, то сложностей не возникает, а незначительные погрешности почти всегда ни на что не влияют. Но если точно, то бар – это десять ньютон на квадратный сантиметр, то есть 0,1 мегапаскаля (МПа).
Поскольку паскаль – это один ньютон на квадратный метр, чисто системная единица в международной системе СИ. Значит в одном МПа точно 10 бар.
Сколько бар в 1 атмосфере
Строго говоря, атмосфера, как единица измерения давления, может быть технической или физической. Техническая точно равна одной килограмм-силе на квадратный сантиметр (кгс/см2), физическая чуть больше за счёт неравенства между килограмм-силой и десятком ньютон.
Разница получается из-за того, что связь между ньютоном и килограмм-силой выводится через ускорение свободного падения на уровне моря, а это не ровно 10, а примерно 9,87. То есть в 1 технической атмосфере (1 at) примерно 0,98 бар, а в физической (1 атм) – 1,013 бар. Такими ошибками всегда можно пренебречь, как и разницей между обеими атмосферными единицами.
Сколько бар в килограмм-силе
Килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2) – это техническая атмосфера. Принимая во внимание вышесказанное, легко понять, что один бар – это 1,0197 ат. То есть он больше примерно на два процента. Значит в килограмм-силе на кв. см будет 0,98 бар. Для автомобильной техники можно сказать, что это одно и то же. Обычное атмосферное давление.