Impara come funzionano le pompe per vuoto, le parti principali e perché le usiamo. Questo articolo spiega in dettaglio il principio di funzionamento di base delle pompe per vuoto monostadio e bistadio per gli ingegneri HVAC. Per altri articoli sull’ingegneria HVAC CLICCA QUI.
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Cosa sono le pompe per vuoto?
Le pompe per vuoto sono ampiamente utilizzate dagli ingegneri di condizionamento e refrigerazione per rimuovere l’aria o le sostanze non condensabili come l’acqua dal sistema. Abbiamo bisogno di rimuoverli dal sistema perché causano un funzionamento inefficiente del sistema di refrigerazione e possono anche corrodere le parti interne.
Questa procedura viene effettuata prima di caricare un nuovo sistema o quando un sistema esistente ha subito alcune riparazioni dove il refrigerante è già stato recuperato. In entrambi i casi c’è la possibilità che l’aria e l’umidità abbiano contaminato il sistema.
Dove sono collegate?
In un tipico sistema di aria condizionata vedrete queste pompe a vuoto collegate tramite un collettore attraverso il lato di alta e bassa pressione del sistema. Un modo migliore per farlo è quello di rimuovere il collettore e collegare la pompa del vuoto alla linea di aspirazione con un manometro collegato alla linea del liquido, che è il punto più lontano nel sistema, in modo da ottenere una lettura veritiera.
Abbiamo collaborato con il nostro amico Bryan di HVAC school per questo articolo. Il suo video su YouTube vi mostra come collegare effettivamente una pompa a vuoto a un sistema reale e vi dà un sacco di ottimi consigli tecnici per costruire le vostre conoscenze e competenze. Per vedere il suo video su YouTube CLICCA QUI.
Le parti principali di una pompa per vuoto
Se prendiamo una pompa per vuoto standard che assomiglia a qualcosa come sotto.
Abbiamo il motore elettrico sul retro, il compressore sul davanti, una maniglia in alto e una base di supporto sul fondo. Abbiamo poi un ingresso che si collega al sistema per rimuovere l’aria dal sistema e abbiamo anche lo scarico per disperderla nell’atmosfera. Sulla parte anteriore della sezione del compressore troveremo una spia del livello dell’olio in modo da poter dire quanto olio c’è nella camera e le sue condizioni.
Smontando l’unità, possiamo vedere che abbiamo una ventola e un involucro protettivo montato sul retro del motore. All’interno del motore abbiamo lo statore con le bobine. Concentrato a questo, abbiamo il rotore e l’albero che aziona il compressore. Nella parte anteriore abbiamo la camera di compressione. Questa è una versione a due stadi del compressore che ci permette di fare un vuoto più profondo e quindi abbiamo due camere di compressione. All’interno delle camere ci sono i rotori del compressore e le palette che spostano l’aria fuori dal sistema. In cima alla camera di compressione c’è una valvola a lamelle che sfoga lo scarico. Quando rimuoviamo l’involucro protettivo delle ventole, vediamo che la ventola è collegata all’albero che attraversa la pompa. La ventola serve a raffreddare il motore elettrico e soffia l’aria ambientale sull’involucro per dissiparla. Le alette sull’involucro aumentano la superficie dell’involucro che permette di rimuovere più calore indesiderato.
All’interno del motore
All’interno del motore abbiamo lo statore che è avvolto con bobine di rame. Quando una corrente elettrica scorre attraverso le bobine di rame, genera un campo magnetico. Il rotore è influenzato da questo campo magnetico e questo lo costringe a ruotare. Il rotore è collegato all’albero e l’albero corre lungo la lunghezza della pompa dalla ventola al compressore. In questo modo, quando il rotore ruota, lo fa anche il compressore ed è quello che usiamo per creare l’effetto vuoto ed evacuare l’aria da un sistema.
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Basta notare che quando pensiamo al vuoto, pensiamo a una forza di risucchio, ma in realtà non è così. Il perché lo spiegheremo in dettaglio più avanti.
Dentro il compressore
Se guardiamo dentro il compressore, possiamo vedere che abbiamo l’ingresso, che è collegato al sistema che stiamo evacuando. Poi abbiamo l’uscita e la valvola lamellare che espelle l’aria e l’umidità che viene estratta.
Al centro abbiamo il rotore di compressione e la camera di compressione. Notate che il rotore è montato eccentricamente all’interno della camera, cioè non è perfettamente centrale, questa è una caratteristica chiave che vedremo in dettaglio più avanti. L’albero si collega al rotore e lo farà ruotare.
Montato all’interno del rotore ci sono due palette caricate a molla. Le molle cercano sempre di spingere le palette verso l’esterno, ma sono tenute in posizione dalle pareti della camera di compressione. Le punte delle palette sono sempre in contatto con la parete e c’è un sottile strato di olio che aiuta a formare una guarnizione tra i due. Quando il rotore ruota, le molle continuano a spingere le palette verso l’esterno in modo che le palette seguano il contorno della camera di compressione.
Quando la pompa parte, il rotore si muove attraverso l’ingresso ed espone una zona all’interno della camera di compressione. Quest’area sarà ad una pressione più bassa rispetto alla pressione all’interno del sistema; così l’aria e l’umidità all’interno del sistema di refrigerazione si precipiteranno per cercare di riempire questa regione vuota.
Perché fa questo?
La pressione scorre sempre dall’alto verso il basso, quindi se abbiamo collegato, per esempio, due palloni di pressione diversa, i gas si sposteranno dal lato dell’alta pressione a quello della bassa pressione finché entrambi saranno di pressione uguale. Il lato a bassa pressione era un vuoto, ma non ha risucchiato i gas, il lato ad alta pressione ha spinto la sua strada dentro. Questo è l’effetto del vuoto. I gas vogliono equalizzare e scorreranno da una pressione alta a una bassa. Perciò usiamo una pompa a vuoto per creare una regione di pressione più bassa in modo che i gas indesiderati all’interno di un sistema di refrigerazione si precipitino fuori dal sistema per cercare di riempire questa regione di pressione più bassa.
Nel nostro scenario, il tubo di collegamento e la nuova area di bassa pressione all’interno della camera di compressione diventano un’estensione del sistema di refrigerazione, perciò i gas nel sistema si precipiteranno a riempire questo e a cercare di rendere uguale la pressione tra questi due. Tuttavia, è una trappola, perché mentre il rotore continua a ruotare, la seconda paletta entra e intrappola quel volume di gas nella camera tra le due palette. L’altra paletta passa attraverso l’ingresso e crea un’altra regione di pressione più bassa, così altri gas si precipitano dentro per riempire questo vuoto ancora e ancora. Mentre il compressore ruota, il volume della camera comincerà a diminuire, ecco perché il rotore non è perfettamente centrato in modo da poter variare il volume dei gas intrappolati. Questa diminuzione di volume comprimerà i gas in uno spazio più stretto, che aumenterà la pressione e la temperatura.
Continua a ruotare in un volume più piccolo fino a quando la pressione diventa abbastanza alta da costringere la valvola lamellare allo scarico ad aprirsi e i gas vengono scaricati.
Il compressore continua a ruotare e mentre lo fa il prossimo gruppo di gas viene tirato nel sistema e questo ciclo continua.
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La maggior parte delle pompe per vuoto saranno a due stadi, il che significa che ci sono due camere di compressione collegate in serie, con lo scarico del primo compressore che si collega direttamente all’ingresso della seconda camera. Questo design permette alla pompa di raggiungere un vuoto più profondo.
Design a due stadi
Quando abbiamo un singolo compressore, l’uscita sta spingendo contro la pressione atmosferica, come descritto sopra. Ma con il design a due stadi, l’uscita sta spingendo contro una pressione molto più bassa che è semplicemente l’ingresso del secondo compressore rotante e la regione di bassa pressione che crea durante la rotazione.
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Come la pompa a vuoto continua a funzionare, alla fine tirerà i gas fuori dal sistema chiuso che ridurrà la pressione al di sotto della pressione dell’atmosfera che circonda l’esterno del sistema.
Come la pressione si riduce, qualsiasi umidità nel sistema diventa più facile da bollire ed evaporare. Possiamo aggiungere un po’ di calore con una lampada o una pistola termica per aiutarla a vaporizzare.
