VAKUM SİSTEMLERİNDE GAZLAR

   Bu yazımızda Vakum teknolojinin temel ve en önemli kısmı olan vakum gazların pompalanma süreci ,vakum kazanın maksimum pompalanma hızı , gaz moleküllerinin vakum kazanın yüzeylerinde bulunan yüzey atomları ile etkileşimleri ve bu pompalanan gazların borulara aktarılması işlemleri ele alınacaktır.

Vakum Pompasındaki Gaz Yükünü oluşturan Etkiler Nelerdir?

  Şekil 1′ de görüleceği üzere vakum kazanı ve bu kazana bağlı bir vakum pompası görülmektedir. Burada vakum pompası, vakum kazanı içerisindeki  gaz moleküllerini azaltmak amacı ile kullanılır. Buna karşın vakum kazanı içerisinde gaz moleküllerinin artmasını sağlayan ek kaynaklar  (kaçak, buhar, ..) vakum pompası girişinde gaz yükünün oluşmasına neden olur.  Belli süreden sonra vakum pompası tarafından pompalana gaz molekülleri miktarı ile ek kaynaklardan kaynaklanan gaz miktarı birbirine eşit olur. Bu bakımdan belli bir vakum düzeyinin altına inilemez.

Burada gaz yüküne katkı sağlayan ek kaynakları gruplayacak olursak;

• Kaçaklar (Qk) :  Bir vakum kazanını tamamen sızdırmaz yapmak çok zordur. Bu tür kaçaklar kazanın çeperlerinde, ek yerlerinde yada kazanın kaynak bölgelerinde küçük kılcal çatlaklıklarından gerçekleşebilir.  Bu olay ise kazanın iç basıncı ile dış basıncı bir birine eşit olduğu zaman kaçak yada sızıntı gerçekleşmez fakat kazan vakuma alınmaya başladığı zaman kazanın iç basıncı dış basıncından küçük olduğu zaman sızıntılar başlar.
• Buharlaşma (QB):  Bu durum çoğu kez istenilmeyen bir durumdur. Vakum kazanın iç basıncının artmasına ek katkı olarak  kazanın temizliği sırasında kullanılan su ve çözücü artıkların (alkol,aseton..) vakum kazanı içerisinde kalmış olması, metal buharlaştırma yöntemi ile yüzeylerin ince film kaplanması sırasında buhar fazındaki metal atomları , vakum kazanı içerisinde dikkatsizce bırakılan parmak izlerinin neden olduğu organik artıklar vakum kazanı içerisinde buharlaşmaya neden olur.
• Gaz Salımı ( QG) : Vakum kazanının iç basıncını arttıran diğer bir faktör ise gaz salımıdır. Bu ise vakum kazanın iç çeper yüzeylerinde tutunan gazlar pompalanma süresince yüzeyi yavaş yavaş terketmesi ile  oluşur.
• İşlem sonucu oluşan gaz (Qi) : Vakum kazanının iç basıncını arttıran diğer bir faktör ise işlem sonrasında çıkan gazlardır. Bu ise özellikle ısıtılan malzemeden gaz çıkmasına neden olur. Vakum işleminde kullanılacak  malzemeler ilk önce ısıtılır böylelikle gazlardan arındırılır.

Vakum İşlemi Sırasında  Gerçekleşen Yüzey İşlemleri Nelerdir?

  Burada dikkat edilecek husus moleküllerin sahip olduğu ortalama serbest yol moleküllerin etkileşime girdiği vakum kazanın metal yüzeyinin boyutlarına göre daha uzundur. Bu bakımdan moleküllerin yüzey ile etkileşimi daha baskındır. Yüzey etkileşimleri genelde fiziksel soğrulma,kimyasal soğrulma, kimyasal tepkime, gaz salımı,geri saçılma,yer değiştirme ve gaz salımı şeklinde olur(Şekil 2). Genelde yüzey etkileşimleri ise 3’e ayrılır ;

• Fiziksel Soğurma : Bilineceği üzere her malzemenin yüzeylerinde yapısal olarak boşluklar bulunmaktadır ve gaz molekülleri bu boşluklarda bulunan yüzey atomları ile vander waals etkileşmesine girerek  tutulurlar (Şekil 2). Bu  soğurma işlemi kazanın yüzeyine çarpan gaz molekülü sayısı arttıkça soğurma miktarı da artar. Ayrıca fiziksel soğurma enerjisi g-mol başına 1-2 kcal mertebesindedir. Bu enerji miktarı ise Van Der Waals  etkileşimi için gerekli enerjidir. Yüzey atomları tarafından tutulan gaz moleküllerini ise kazanın iç bölgesi ısıtılarak kazan yüzeyinden uzaklaştırılır.
• Kimyasal Soğurma : Gaz molekülleri, yüzeyin yere yapısını bozmadan yüzey atomları ile bağ oluşturabilir(Şekil 2). Bu olay ise geri dönüşümü olmayan etkileşim türüdür. Bu tür etkileşim sonucunda kimyasal olarak soğrulan gaz molekülleri çözücü ile temizlemek mümkün değildir. Kimyasal soğurmanın  oluşum enerjisi ise g-mol başına 10-100 kcal mertebesindedir. Fiziksel soğurmanın aksine kimyasal soğurma miktarı sıcaklık artıkça artar. Bu etkileşimde dikkat edilecek husus ise gaz molekülleri meta atomlarının örgüdeki yerlerini değiştirmiyor olmasıdır.
• Kimyasal Tepkime : Bu tepkime sonucunda gaz molekülleri ile kabın yüzeyindeki atomlar bileşik yaparak kazanın yüzeyinde tamamen farklı bir yapı oluşturur (Şekil 2). Kimyasal tepkime sonucunda ise metal atomlarının örgüdeki yerleri değişir.

Moleküler Akış Bölgesinde Pompanın Maksimum Hızı Nedir ?

  Sistemimizi ideal bir pompa ile kurulu olarak düşünürsek bir vakum pompasının maksimum pompalama hızı S=9,3D² lt/s olarak verilir. Burada S: Pompanın pompalama hızı, D : cm cinsinden kazana bağlanan borunun çapı olarak verilir.

Borularda  Moleküllerin İletim Olasılığı ve İletkenlik Nedir  ?

  Şekil 3’de görüleceği üzere uzunluğu L, çapı Dolan bir boru düşünelim ve bu boru basınçları P1 ve P2 olan iki bölgeyi birbirine bağlasın. Gaz molekülleri bu boru içerisine her doğrultudan gelir. Gelen bu gaz moleküllerinden ancak bir kısmı  1 yolunu izleyerek bir uçtan diğer bir uca çeperlere çarpmadan devam ederek P2 bölgesine geçer. Fakat çoğu 2 numaralı doğrultuyu izleyerek E noktasındaki çepere çarpar. Gaz moleküllerinin bu çarpmadan sonra üç farklı doğrultuda saçılabilir. Burada a yolunu izleyerek gelen gaz molekülü geldiği bölgeye geri dönebilir, b yoluna izleyerek F noktasındaki çepere çarparak gene bu üç yolu izleyebilir  yada c yolunu izleyerek P2 bölgesine geçebilir.

    Boruda gerçeklesen bu olasılık durumu D: borunun çapına ve L : borunun uzunluğuna bağlı olarak azalır veya artar. Eğer  L<<D durumunda gaz moleküllerinin çepere çarpma olasılığı azalır ve diğer bölgeye direk geçme olasılığı artar. Tersi durumda L>>D durumunda ise gaz moleküllerinin çepere çarpma olasılığı artar ve diğer bölgeye diğer bölgeye geçme olasılığı düşer. Borularda (Belows) bu duruma iletkenlik denilir ve formülü CL =12,4D²/L lt/s olarak verilir. Bu bakımdan vakum sitemlerinde vakum pompasına bağlanan borular kısa seçilir.

Vakum Pompası Kazanı Ne Kadar Sürede Pompalar ?

   Vakum sistemlerinde vakum kazanını pompalama zamanı ise P=Po exp (-t.S/V) formülü ile verilir. Burada P: istenilen basınç değeri, Po: Vakum kazanın ilk basıncı , t: vakumlanma zamanı, S:  pompanın vakumlama hızı ve V: kazanın hacmi olarak verilir.

Yararlanılan Kaynaklar

• Introduction to the princibles of vacuum physics ( Niels Marquardı)
• Handbook of vacuum science and technology  (Bawa Singh, John H. Thomas,Doroty M. Hoffman)
• Fundemantals of vacuum technology (Dr. Walter Umrath)