Introducción a la tecnología del vacío y su aplicación en elevadores por vacío

La tecnología de vacío es una parte insustituible de una amplia gama de aplicaciones científicas e industriales. Encontrará sistemas de vacío en áreas tan diversas como envasado, liofilización, numerosas formas de fabricación e incluso aceleradores de partículas. Este artículo es una breve descripción de la tecnología de vacío en general y, más específicamente, cómo se aplica en la elevación por vacío.

¿Qué es el vacío?

La palabra vacío se deriva del latín para «espacio vacío», pero en el mundo real no existe tal cosa. Incluso el vacío del espacio contiene pequeñas cantidades de materia y un vacío perfecto existe solo en teoría. Para todos los propósitos prácticos, un vacío es el estado de un volumen de espacio con una presión negativa significativa en comparación con la atmósfera. Un vacío artificial se crea eliminando materia, normalmente moléculas de aire, de un espacio limitado.

¿Qué es un vacío bajo, medio o alto?

En un sistema de vacío, menos es más. Dado que el vacío se crea minimizando la cantidad de moléculas de aire en un entorno cerrado, menos moléculas significan un mayor grado de vacío. A medida que se elimina el aire obtendrá una cantidad de presión negativa en relación con la proporción de moléculas eliminadas. Dependiendo de los requisitos de una aplicación específica los métodos utilizados para crear un vacío varían mucho.

Medidos en presión mbar, los diferentes tipos de niveles de vacío se dividen en los siguientes rangos:

  • Vacío fuerte (o bajo) – Presión atmosférica hasta 1 mbar. Se utiliza en numerosas aplicaciones, incluida la tecnología de manipulación industrial. En este rango, el nivel de vacío se denomina a menudo en porcentaje, p. Ej. 80% de vacío.
  • Vacío medio (o fino) – 1 a 10-3 (0.001) mbar. Utilizado, por ejemplo, en liofilización de alimentos, desgasificación de acero, producción de bombillas.
  • Alto vacío (HV) – 10-3 a 10-8 mbar. Utilizado, por ejemplo, en fabricación de tubos de electrones, fundición de metales.
  • Vacío ultra alto (UHV) – 10-8 a 10-11 mbar. Utilizado, por ejemplo, en revestimiento de metal, fusión por haz de electrones.

Para alcanzar rangos de presión más altos, la complejidad y el costo de energía aumentan exponencialmente. Si bien muchas de las aplicaciones más comunes se encuentran en el rango aproximado, bastantes procesos de fabricación y usos científicos requieren rangos más altos. Todos los rangos más allá del rango aproximado se vuelven cada vez más difíciles de medir.

Cómo crear un vacío

El nivel de vacío requerido en diferentes aplicaciones industriales varía mucho, y lo mismo ocurre con los equipos utilizados para generarlo. Sin embargo, una variedad de bombas, en algunos casos trabajando en múltiples etapas, siempre están involucradas en la creación y mantenimiento de un sistema de vacío. Algunos ejemplos de diferentes tipos de bombas de vacío son:

  • Criobombas: Las industrias que trabajan en el rango de vacío ultra alto, como la fabricación de películas ópticas o semiconductores, utilizan bombas criogénicas que «atrapan» moléculas en una superficie extremadamente fría. Las criobombas también se utilizan con frecuencia en áreas de investigación científica como aceleradores de partículas y cámaras de simulación espacial..
  • Roots pumps: En la purificación de metales y diferentes tipos de aplicaciones de revestimiento se pueden emplear bombas de raíces de etapas múltiples. Estas bombas comprimen gas entre lóbulos contrarrotantes para alcanzar rangos de vacío medio o alto..
  • Bombas de tornillo: Cuando se liofilizan productos alimenticios, las bombas de tornillo que utilizan tornillos de rotación asimétrica se utilizan comúnmente para acelerar la sublimación durante el proceso de secado.
  • Bombas de paletas rotativas: Por último, pero no menos importante, las bombas de paletas rotativas, que utilizan rotores para comprimir y expulsar aire de forma continua, son las bombas de vacío más comunes. Las bombas de paletas giratorias se emplean universalmente en rangos de vacío medio y bajo para, entre muchas otras aplicaciones, tecnología de elevación por vacío.

La mecánica de la elevación por vacío

La tecnología de elevación por vacío opera en el rango de vacío aproximado, que se puede medir utilizando calibres mecánicos en milímetros o pulgadas de mercurio (mmHg o inHg) y / o kilopascales (kPa). Estas unidades son siempre negativas y se indican con un signo menos (-) en el indicador.

Kilopascal es particularmente útil como una aproximación del porcentaje de vacío. El vacío del 50% es de aproximadamente -50 kPa en relación con la presión atmosférica. También se utilizan varias unidades y escalas adicionales en las mediciones de vacío, pero la escala de porcentaje es la más útil en el rango aproximado, ya que es universalmente comprensible.

Componentes del sistema de vacío

Ventosas y tubos de vacío

Un error común sobre las ventosas o succionadores es que el interior de la ventosa está agarrando la carga y tirando de ella hacia arriba debido al vacío. En realidad, es la mayor presión atmosférica fuera de la ventosa la que ejerce presión hacia abajo, hacia el objeto, la que produce el efecto de sujeción.

Por esta razón, la altura de una ventosa no tiene ningún efecto sobre el nivel de vacío o su capacidad de elevación. Sin embargo, la cantidad de área de superficie que entra en contacto con la carga sí importa. Es por eso que debe ajustar la superficie de la ventosa para que coincida con las cargas previstas. Aunque es posible levantar objetos pesados ​​con una ventosa comparativamente pequeña, también debe tener en cuenta las fuerzas de corte cuando se mueven los objetos y agregar un margen de seguridad.

Estimación de la fuerza de sujeción de la ventosa

Para estimar el área de succión necesaria para sostener una carga plana y no porosa usando un útil de vacío montado en un polipasto, como Manipulador para láminas y paneles, esta es una forma de calcular:

La fuerza de sujeción o elevación es de aproximadamente 1 kg por 1 cm 2 al 100% de vacío (2,2 libras por 0,155 pulgadas 2 ). Como ya hemos establecido, no existe el vacío al 100%, pero es un punto de referencia útil.

En el uso real, puede operar un elevador al 60% de vacío. 60% de 1 kg son 0,6 kg, lo que significa que podemos levantar 0,6 kg por 1 cm 2 de área de ventosa (1,32 libras por 0,155 pulgadas 2 ). Luego, divida el resultado por un factor de seguridad de 2, que se usa normalmente.

Ejemplo: una ventosa con un diámetro de 300 mm (11,8 «) (706 cm 2 o 109,4 pulgadas 2 ) tiene una fuerza de sujeción de 212 kg (467 libras) a 60 % de vacío y un factor de seguridad de 2.

Estimación de la capacidad del tubo de elevación

Con elevadores que usan un polipasto separado para manipular cargas y succionadores montados en un útil que se sujetan a la carga, es útil una aproximación simplificada del área de contacto de los succionadores. La situación es diferente cuando tanto el agarre como el levantamiento se realizan con tecnología de vacío, como con el Manipulador de cargas por vacío ergonómico de TAWI.

En un sistema de elevación por vacío asistido por tubo, el tubo en sí opera a una presión negativa de entre 0 y 60% debido a la flexibilidad del tubo. Para compensar esto, la fuerza de sujeción debe ser siempre mayor que el área del tubo de elevación. Por lo tanto, siempre nos aseguramos de que el área de la ventosa sea al menos 2,5 veces mayor que el área del tubo.

El resultado es que tiene la garantía de que nunca dejará caer la carga antes de que se baje al suelo, y puede sostener 2,5 veces más de lo que puede levantar. En otras palabras, el área de la ventosa, aunque sigue siendo importante, es secundaria al área del tubo de elevación en este caso.

Personalización de un sistema de vacío

Aparte de los sistemas independientes como el TAWI Mobile Order Picker, los sistemas de elevación por vacío a menudo se personalizan en gran medida para cumplir con los requisitos de cada caso de uso individual. Algunos de los factores que determinan la elección de componentes son:

  • Peso, forma y superficie de las piezas.
  • Distancia de desplazamiento para manipulación.
  • Requisitos de rotación o inclinación.
  • Velocidad o tiempo de ciclo deseado.

Se puede seleccionar y combinar una amplia variedad de ventosas, succionadores, útiles, puentes grúa y raíles para una aplicación específica para garantizar una estructura y una operativa óptimas.

Por ejemplo, las cajas sólidas se pueden levantar usando un elevador asistido por tubo como nuestro elevador multifuncional, con un asa y una ventosa del tamaño adecuado. Si las cargas tienen una superficie porosa o irregular, como es habitual con los sacos, se puede agregar un faldón de caucho alrededor de las ventosas para maximizar el área de contacto y al mismo tiempo compensar las fugas de aire con un mayor flujo de la bomba de vacío.

La manipulación de paneles o láminas puede requerir de útiles personalizados, capacidades de rotación y posiblemente transporte vertical, todos ellos se ajustan bien a nuestra pinza diseñada para la manipulación de paneles.

Aunque cualquiera de estos sistemas realiza la misma función básica de elevación y manipulación, la configuración y la selección de componentes serán bastante diferentes en cada caso de uso.

Tubos, conectores y filtros

Para completar el sistema de vacío hay que acoplar tubos adaptados al vacío mediante abrazaderas, anillos de estanqueidad y rácores roscados. Asegurarse de que todas estas piezas estén perfectamente ajustadas y selladas es esencial para garantizar el funcionamiento seguro de cualquier sistema presurizado. Estos componentes deben adaptarse al sistema individual, con especial cuidado en términos de tolerancias y durabilidad.

También se utilizan uno o más filtros para proteger la bomba de vacío del polvo y otros contaminantes que podrían acortar su vida útil o provocar fallos operativos.

Bombas de vacío

Las bombas de vacío que se utilizan en los sistemas de elevación por vacío son normalmente bombas de desplazamiento de gas, también conocidas como bombas de transferencia de gas. El principio básico de una bomba de desplazamiento es llevar aire a un volumen en expansión a través de una válvula de admisión, comprimirlo en un volumen más pequeño y luego expulsar el aire comprimido a la atmósfera.

El principio de funcionamiento de todas las bombas de desplazamiento es el mismo, pero el tipo utilizado en los sistemas de elevación por vacío es típicamente bombas de paletas rotativas de funcionamiento en seco (sin aceite). Como su nombre lo indica, estas bombas utilizan un rotor interno con múltiples álabes que toman, comprimen y extraen el aire continuamente.

Hay varias ventajas para este tipo de bomba. Es de tamaño compacto, requiere un mantenimiento limitado en comparación con otros modelos y puede funcionar a una velocidad de succión constante.

Ventajas de los sistemas de elevación por vacío

Muchos aspectos hacen que la elevación por vacío se destaque en comparación con sus alternativas. Algunos de los beneficios más importantes son:

Aumento de la Productividad – La estatura física del operario nunca es una limitación. Cualquiera puede recibir formación para utilizar un elevador por vacío de forma segura y levantar cargas pesadas sin perder energía. El resultado son flujos de trabajo significativamente más eficientes que no dejan a los empleados exhaustos.

Salud ergonómica – Debido a que se requiere muy poco esfuerzo en el levantamiento y manipulación, la tensión física se reduce significativamente junto con el riesgo de lesiones relacionadas con el lugar de trabajo. Además de mantener al personal más saludable y feliz, esto también debería conducir a menos días de baja por enfermedad que, de lo contrario, podrían afectar la productividad.

Flexibilidad de la fuerza laboral – Dado que cualquiera puede levantar cargas, las empresas tienen mucha más flexibilidad en términos de contratación y rotación de empleados. Los flujos de trabajo eficientes también requieren menos mano de obra, lo que permite menor mano de obra.

Prevención de daños– En comparación con varios tipos de levantamiento mecánico, el levantamiento por vacío generalmente reduce el riesgo de daños a los materiales, como rayadas o deformaciones.

Seguridad – Los sistemas de elevación por vacío son intrínsecamente seguros por varias razones. Una es que la elevación no se puede iniciar en absoluto si el sistema de vacío funciona mal. Y en el caso de problemas críticos, como un corte de energía, las válvulas a prueba de fallos asegurarán que la carga no se caiga de inmediato.

Si tiene preguntas adicionales sobre cómo funcionan nuestros sistemas de elevación por vacío y de qué manera se pueden adaptar a sus necesidades y flujos de trabajo específicos, no dude en contactar con nosotros para asesorarle sin ningún compromiso.

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