Portata di un gas: velocità di aspirazione

La portata di un gas è la quantità di gas che fluisce attraverso una canalizzazione e può essere definita come massa o numero di molecole che attraversano una sezione  nell’unità di tempo
Un altro modo per definire la portata di un gas è   il volume V’ di gas che attraversa una sezione della canalizzazione misurato alla pressione esistente nella canalizzazione. L’unità di misura di V’ nel S.I. è m3/s

La definizione  più comunemente usata in quanto si adatta più facilmente ai calcoli della tecnica del vuoto di portata di un gas è il volume Q di gas normalizzato ad una pressione di riferimento
Si ha quindi
Q = V’P  (1)

Il calcolo della portata del gas è importante, ad esempio, nella saldatura in cui è necessario un flusso uniforme di gas per proteggere il metallo fuso ricoprendolo adeguatamente per evitare la contaminazione atmosferica, che può portare ad un aumento dei livelli di ossidazione o addirittura alla porosità della saldatura finita

Analogia con i circuiti elettrici

La portata di un gas  ha come unità di misura  m3 Pa/s. La portata Q nei sistemi da vuoto è spesso espressa in lusec in cui lusec = [ mmHg L/s]

Le pareti di una canalizzazione tendono a opporsi al flusso del gas; per analogia con i circuiti elettrici si suppone che l’impedenza Z di un tubo sia uguale al rapporto tra la differenza ΔP della pressione ( differenza di potenziale nei circuiti elettrici) esistente tra le due estremità della canalizzazione. La quantità Q ( intensità di corrente nei circuiti elettrici) da cui questa dipende. La differenza di pressione fa sì che vi sia un passaggio di gas tra la regione a pressione maggiore a quella a pressione minore. La relazione che intercorre tra Z e Q è data dall’espressione:
Z = P1 – P2 / Q

L’inverso di Z ovvero il rapporto Q/ P1 – P2 definisce la conduttanza:

C = Q/ P1 – P2

La conduttanza corrisponde al volume, riferito ad una pressione pari all’unità di gas che attraversa la canalizzazione quando fra i suoi estremi esiste una differenza di pressione unitaria.

Ragionando sempre in analogia con i circuiti elettrici se si hanno più tubi in serie o in parallelo le cui conduttanze siano C1, C2, C3 … la conduttanza del sistema è data, nel caso di un circuito in parallelo da:
C(parallelo) =  C1 + C2 +  C3

e nel caso di un circuito in serie:
1/ C(serie) = 1/C1 + 1/C2 + 1/ C3

Velocità di aspirazione

La velocità di aspirazione S di una pompa di qualsiasi tipo è definita come il volume V’ di gas aspirato dal sistema nell’unità di tempo misurato alla pressione P. Dalla (1) si ha

S = Q/P

La quantità Q di gas è quella che attraversa una sezione qualunque del sistema mentre P è la pressione misurata alla bocca della pompa.

Una pompa nella maggior parte dei casi viene collegata tramite una conduttanza. La velocità di aspirazione all’ingresso del recipiente può risultare notevolmente inferiore rispetto a quella della pompa stessa. Se So è la velocità di aspirazione della pompa e C è la conduttanza di allacciamento, la velocità S di aspirazione che interessa è data da:
1/S = 1/So + 1 /C

Da cui S = SoC/So+C

Questa relazione è di fondamentale importanza nel progetto di un impianto da vuoto: essa indica che è sempre conveniente, quando è possibile, per un buon uso delle pompe collegarle con C >> So. Infatti in questo caso la velocità di aspirazione nel recipiente sarà circa uguale a quella della pompa: S ≅ So

Nel caso in cui C << So la velocità di aspirazione risulta limitata alla velocità della canalizzazione

Misurazione della portata di un gas 

La misurazione della portata di un gas può essere fatta tramite un tubo di Pitot inventato ingegnere francese, Henri Pitot , all’inizio del XVIII secolo. Questo tubo è costituito da un tubo che punta direttamente nel flusso del fluido.

tubo di Pitot
tubo di Pitot

Poiché esso contiene fluido, è possibile misurare la pressione; il fluido in movimento viene portato a riposo  poiché non c’è uscita per consentire al flusso di continuare.  Questa pressione è la pressione di stagnazione del fluido, nota anche come pressione totale non può essere utilizzata di per sé per determinare la velocità del flusso del fluido che può tuttavia essere ricavata dall’equazione di Bernoulli

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