Hoe zit dit precies?

[Michel Uphoff]

Met mijn vacuümpomp trek ik een klein vat (125 cm³, oppervlak 200 cm²) van PMMA (perspex) met een wanddikte van 5 mm leeg tot een druk van net iets onder de 1 mbar. Hier in de grafiek de toename van de druk, te beginnen direct na het afsluiten van het vat.
De blauwe lijn geeft het verloop direct na de eerste keer vacuüm trekken weer. De rode lijn het verloop nadat tussentijds de pomp 6 keer is aangezet om de druk weer terug te brengen van ruwweg 4 mbar naar 0,9 mbar.

Ik kan geen lekken constateren, en daar wijst de grafiek ook niet op. Die laat telkens eenzelfde verloop zien van een steeds trager toenemende druk. Dus denk ik dat een verklaring in outgassing van het perspex kan liggen. Wat dan opvalt, is dat dat ontgassen wel heel lang duurt, want na 6 keer weer op laag peil brengen van de druk is de drukopbouw weliswaar wat trager, maar toch maar weinig. Zo duurt het maanden voordat ik een stabiel vacuüm bereik van 1 mbar.

Wie kan hier wat zinnigs over melden?
Is het wel ontgassen?
Waarom blijft dat gas maar komen en komen?
Hoeveel gas kan er eigenlijk geabsorbeerd worden door dit oppervlak perspex?
Waarom duurt dat ontgassen zo lang?
Waarom stabiliseert de druk rond pakweg 4,5 mbar?
Of is mijn perspex onder de 4,5 mbar gewoon te 'lek' (diffunderen van het gas)?

[OOOVincentOOO]

Interessante materie en kan nog niet alles direct herinneren van mijn middelbaar vacuum techniek opleiding. Ben er niet meer actief mee bezig.

Heb mijn boek niet voorhanden maar Leybold heeft een mooie pagina met voorbeelden: Leybold.

Zoals ik begrijp is jouw leakrate:

\(Q=\dfrac{\Delta(p \cdot V)}{t}=\dfrac{3 \cdot 0,125}{500} \approx 8e-4 ~ \text{[mbar.l/s]}\)

Voor een geavanceerde hobby opstelling niet slecht. Volgens Leybold komt dit overeen met een gaatje van 1 [µm]. Ik kan mij voorstellen dat het plexiglas vervormt door het druk verschil.

Bron: Leybold

Poping kracht berekenen op 200 [cm²]: F=pA=0.02*100000=2000 [N] dat is toch een 200 [kg]. Zou een plastische vervorming kleine lekkages veroorzaken O-ring wat niet meer goed afdicht?

Betreffende the permeabiliteit plexiglas weet ik. Gokje: Aangezien plexiglas ook bij aquariums word gebruikt met nog hogere drukken valt dat wel mee (misschien).

EDIT:
Misschien schotjes/steunen/steunberen plaatsen/vastlijmen voor structuele versterking?

[WillemB]

Kunststoffen schijnen wel gassen door te laten,
vond hier een artikel van TNO tav kunststoffen en rubbers: https://publications.tno.nl/publication ... ubbers.pdf

[Xilvo]

Een lek kan het verloop van de druk niet verklaren. Dan zou de druk volgens een e-macht naar de atmosferische druk gaan.
Het zou kunnen dat door vervorming door de toenemende druk een lek dicht raakt maar het lijkt me heel onwaarschijnlijk dat het al bij 4 mbar zou gebeuren. De kracht op de wanden is dan nauwelijks afgenomen.

Het zou ontgassen van het perspex kunnen zijn of loskomen van geadsorbeerd gas.
Zegt die druk van 4 mbar iets over de dampdruk van het gas (of de gassen)?

Het lijkt me interessant het experiment te herhalen bij een aantal verschillende temperaturen.

[OOOVincentOOO]

Een lek kan het verloop van de druk niet verklaren. Dan zou de druk volgens een e-macht naar de atmosferische druk gaan.

Dat herken ik niet terug die exponentiele toename, van mijn opleiding en praktijk ervaring. Heb dubbel gecontrolleerd. Dit is hoe ik het ken(de) bij verder zoeken:

Bron: https://cds.cern.ch/record/1047068/files/p227.pdf

Kan momenteel geen nettere bron vinden maar vind wel vergelijkbare op internet. Heb boek niet voorhanden nu.

Ben enigsinds verward en twijfel over mijn eigen kennis door dit exponentiele verhaal. :

[Xilvo]

Die rode lijn, lineaire toename, is slechts een benadering van het exponentiële verloop bij een lek bij heel lage drukken.

[OOOVincentOOO]

Nee, ik snap het nog niet helemaal.

In vacuum techniek word de leakrate (of afpomp rate) uitgedrukt in [mbar.l/s]. Als een soort energie stroom zoals ik begrijp. Zie bijvoorbeeld: Pfeiffer Leybold en Pfeiffer zijn hoofdspelers in vacuum techniek.

Graag zou ik willen weten hoe jij aan die exponentiele functie komt. Want ik snap het nog steeds niet.

[Michel Uphoff]

Een lek kan het verloop van de druk niet verklaren.
...
Het lijkt me interessant het experiment te herhalen bij een aantal verschillende temperaturen.

Precies, een lek geeft deze curve niet, over zo'n kort stukje zou de curve dan vrijwel een rechte lijn zijn. Ook zeer specifieke constructiedetails (vervorming en variabel lek) kunnen een dergelijke curve niet verklaren want ik heb diverse afdichtingen gebruikt zonder dat ik verschil in de drukopbouw kon constateren.

De drukopbouw a.g.v. permeabiliteit zou m.i. afhankelijk zijn van het drukverschil, het oppervlak, de inhoud, de wanddikte, de temperatuur en het soort materiaal. Vrijwel allemaal vaste waarden tijdens mijn meting. Het drukverschil is nauwelijks gewijzigd (0,999 bar naar 0,996 bar), dus zou drukopbouw over zo'n kort traject vrijwel lineair met de tijd moeten verlopen. Dat zie ik niet terug. Desalniettemin zal ik ook gaan kijken wat het effect van de temperatuur is.

@WillemB >> Kunststoffen schijnen wel gassen door te laten <<

Dank voor dat paper! Maar uit wat ik er in lees maak ik op dat bij 5 mm wanddikte de permeabiliteit voor N en O2 verwaarloosbaar is in mijn opstelling.

Dan blijft m.i. alleen nog ontgassen over, maar dat vind ik dan weer onwaarschijnlijk. Kennelijk heb ik dan -zonder aanmerkelijk effect- al 6 keer een drukverschil van 3 mbar weggepompt. Dat komt ruwweg neer op 2 cm³ gas bij 1 bar. Het lijkt mij veel te veel. Zou de oorzaak een speciale eigenschap van PMMA kunnen zijn?

[Xilvo]

@Vincent
De stroomsnelheid door het lek is evenredig met het drukverschil over het lek, atmosferisch druk min druk in het vat.
Hoe dichter de druk binnen het vat de atmosferische druk nadert, hoe kleiner de stroom door het lek en dus hoe kleiner de druktoename per tijdseenheid in het vat.
Dat geeft een exponentieel verloop, net als bij opladen van een condensator of het afkoelen van een heet voorwerp.
Steeds is een stroomsnelheid evenredig met het verschil tussen waarde en evenwichtwaarde.

[Michel Uphoff]

Bedacht mij net:

Zou het de dampdruk van het kneedbare pakkingsmateriaal kunnen zijn?
Wel erg veel damp daaruit dan. Ik ga dat ook uitzoeken.

[OOOVincentOOO]

@Vincent
De stroomsnelheid door het lek is evenredig met het drukverschil over het lek, atmosferisch druk min druk in het vat.
Hoe dichter de druk binnen het vat de atmosferische druk nadert, hoe kleiner de stroom door het lek en dus hoe kleiner de

Nee, ik snap het nog steeds niet. De lekrate is uitgedrukt in d(pV)/dt. Dit is het aantal deeltjes wat per tijdeenheid naar binnenstroomt immers pV=nkT of je kunt het zien als een soort energie stroom. Ik wil graag jouw formule en beredenatie zien indien mogelijk. Dan kan ik dit vergelijken met mijn boek als ik thuis ben.

One may also attempt to differentiate between leaks and contamination by interpreting the curve depicting the rise in pressure. Plotted on a graph with linear scales, the curve for the rise in pressure must be a straight line where a leak is present, even at higher pressures.

Bron: Leybold

Maar inderdaad aan het afpomp profielen te zien is het mogelijk uitgassing. Een lekkekage is linear (op deze schaal zeker). Hoe is het vacuum vatje belucht? Heb je het laten staan of direct met natte omgevingslucht? Deze zal direct een monolaag water aan het oppervlaktje vormen.

[Xilvo]

Nee, ik snap het nog steeds niet. De lekrate is uitgedrukt in d(pV)/dt. Dit is het aantal deeltjes wat per tijdeenheid naar binnenstroomt

Die "lekrate" hangt af van het drukverschil over het lek. Is dat nul, dan stroomt er niets meer.
Er lekt gas naar binnen. De binnendruk neemt toe. Het drukverschil neemt af. De "lekrate" neemt af. De binnendruk neemt langzamer toe.

[Michel Uphoff]

@ OOOvincentOOO >> Dat herken ik niet terug die exponentiele toename <<

Even geen formules gebruiken, maar kijken hoe het werkt bij constante temperatuur:

Ik heb een gaatje, daardoor lekt lucht. De hoeveelheid lucht die daar doorheen stroomt is afhankelijk van:
- de diameter van het gaatje (deze strepen we weg, want constant)
- de lengte van het kanaaltje (idem)
- de eigenschappen van het gas (idem)
- het drukverschil tussen begin en einde kanaaltje

Hoe kleiner het drukverschil, hoe kleiner de stroomsnelheid, hoe kleiner de hoeveelheid gelekte lucht.
Dus: In het begin is het drukverschil groot, er treden veel moleculen door het kanaaltje. Aan het einde is het drukverschil verwaarloosbaar, er gaan vrijwel geen moleculen meer door het kanaaltje. Dus moet de druktoename er als volgt uit zien:

Image1.jpg (9.69 KiB) 2531 keer bekeken

Over een voldoende klein bereik is deze curve nagenoeg lineair.

[wnvl1]

@Vincent
De stroomsnelheid door het lek is evenredig met het drukverschil over het lek, atmosferisch druk min druk in het vat.
Hoe dichter de druk binnen het vat de atmosferische druk nadert, hoe kleiner de stroom door het lek en dus hoe kleiner de druktoename per tijdseenheid in het vat.
Dat geeft een exponentieel verloop, net als bij opladen van een condensator of het afkoelen van een heet voorwerp.
Steeds is een stroomsnelheid evenredig met het verschil tussen waarde en evenwichtwaarde.

Hetzelfde maar dan vertaald in formules, maakt het misschien duidelijker.

n is het aantal deeltjes in het vat.


$$p = k_1 n$$

$$\frac{dn}{dt}= -k_2 (p - p_{atm})$$

De druk is evenredig met het aantal deeltjes (id. gaswet).
De uitstroomsnelheid is evenredig met het drukverschil.

Als je de eerste vergelijking in de tweede stopt, krijg je een lineaire DV van eerste orde.
Dat levert inderdaad een exponentiële functie op.

[OOOVincentOOO]

Nog maar een berichtje. Het gaat hem immers om: "hoe zat dat ook alweer".

Wat ik geleerd heb lijkt mij geen totale onzin gedurende de vacuümtechniek opleiding. Tevens hoor ik weinig echte vacuum techniek termen in de commentaren terug. En ja, ik ben wederom kritisch.

Naar mijn weten verloopt een lekkage in een vacuum vat linear. Uit de meetgegevens van Michel is dit niet het geval. Zoals mijn eerdere referenties aangaven is het dan niet een extern lek. Indien het vat snel belucht is (na de test) kan tevens erg snel een monolaag water aanhechten aan het oppervlakte wat zeer moeilijk te verpompen is.

Het lineaire verband met betrekking tot een lekkage heeft ook te maken met de "chocked (blocked) flow" naar mijn weten:

At low flow rates in the continuum, or viscous range of gas flow (occurring at pressures above roughly 1 mbar), the flow rate through a pipe or orifice is directly proportional to the pressure differential across the pipe or orifice. This changes when the flow speed of the gas reaches the speed of sound, referred to as the sonic velocity (approximately 1,223 km/h or 760 miles per hour), which is the speed of sound in that gas.

Increasing the pressure further will not increase the flow rate (Fig. 7). This condition is referred to as choked flow. Choked flow occurs when the pressure differential across the orifice, or through the pipe, is such that the pressure on the ratio between the high-pressure side and the low-pressure side of the orifice reaches a certain value specific to that gas. For air this value is 52.8% (PIN / POUT = 0.528).

Bron: fundamentals vacuum theory

Enige niet lineaire effecten bij hogere drukken lijken mij plausibel.

Voor mij voelt het afgewimpeld te worden als verstoorder van het topic. En dat men liever bij gangbare eigen verklaringen te blijven. Niet erg leuk en geeft mij een zuur gevoel als buitenbeentje geprojecteerd te worden. Niet wetenschappelijk niet erg open minded.