Indipendentemente dal modo in cui il metallo grezzo viene trasformato in un tubo, il processo di produzione lascia una quantità significativa di materiale residuo sulla superficie.La formatura e la saldatura su un laminatoio, il disegno su un tavolo da disegno o l'utilizzo di un impilatore o di un estrusore seguito da un processo di taglio a misura possono far sì che il tubo o la superficie del tubo si ricoprano di grasso e possano intasarsi di detriti.I contaminanti comuni che devono essere rimossi dalle superfici interne ed esterne includono lubrificanti a base di olio e acqua derivanti dalla trafilatura e dal taglio, detriti metallici dalle operazioni di taglio e polvere e detriti di fabbrica.
I metodi tipici per la pulizia degli impianti idraulici interni e dei condotti dell'aria, sia con soluzioni acquose che solventi, sono simili a quelli utilizzati per la pulizia delle superfici esterne.Questi includono il lavaggio, l'ostruzione e la cavitazione ultrasonica.Tutti questi metodi sono efficaci e vengono utilizzati da decenni.
Naturalmente, ogni processo presenta dei limiti e questi metodi di pulizia non fanno eccezione.Il lavaggio in genere richiede un collettore manuale e perde la sua efficacia quando la velocità del fluido di lavaggio diminuisce quando il fluido si avvicina alla superficie del tubo (effetto dello strato limite) (vedere Figura 1).L'imballaggio funziona bene, ma è molto laborioso e poco pratico per diametri molto piccoli come quelli utilizzati nelle applicazioni mediche (tubi sottocutanei o luminali).L'energia ultrasonica è efficace nella pulizia delle superfici esterne, ma non riesce a penetrare le superfici dure e ha difficoltà a raggiungere l'interno del tubo, soprattutto quando il prodotto è avvolto.Un altro svantaggio è che l'energia ultrasonica può danneggiare la superficie.Le bolle sonore vengono eliminate mediante cavitazione, rilasciando una grande quantità di energia vicino alla superficie.
Un'alternativa a questi processi è la nucleazione ciclica sotto vuoto (VCN), che fa sì che le bolle di gas crescano e collassino per spostare il liquido.Fondamentalmente, a differenza del processo ad ultrasuoni, non rischia di danneggiare le superfici metalliche.
VCN utilizza bolle d'aria per agitare e rimuovere il liquido dall'interno del tubo.Si tratta di un processo di immersione che opera sotto vuoto e può essere utilizzato sia con fluidi a base acqua che a base solvente.
Funziona secondo lo stesso principio per cui si formano le bolle quando l'acqua inizia a bollire in una pentola.In alcuni punti, soprattutto nelle pentole ben usate, si formano le prime bolle.Un'attenta ispezione di queste aree spesso rivela rugosità o altre imperfezioni superficiali in queste aree.È in queste zone che la superficie della padella è maggiormente a contatto con un dato volume di liquido.Inoltre, poiché queste zone non sono soggette al raffreddamento convettivo naturale, è facile che si formino bolle d'aria.
Nel trasferimento di calore bollente, il calore viene trasferito a un liquido per aumentare la sua temperatura fino al punto di ebollizione.Quando viene raggiunto il punto di ebollizione, la temperatura smette di salire;aggiungendo più calore si ottiene vapore, inizialmente sotto forma di bolle di vapore.Se riscaldato rapidamente, tutto il liquido sulla superficie si trasforma in vapore, fenomeno noto come ebollizione della pellicola.
Ecco cosa succede quando porti a ebollizione una pentola d'acqua: prima si formano bolle d'aria in alcuni punti sulla superficie della pentola, poi mentre l'acqua viene agitata e mescolata, l'acqua evapora rapidamente dalla superficie.Vicino alla superficie è un vapore invisibile;quando il vapore si raffredda a contatto con l'aria circostante, si condensa in vapore acqueo, che è chiaramente visibile mentre si forma sopra la pentola.
Tutti sanno che ciò avverrà a 212 gradi Fahrenheit (100 gradi Celsius), ma non è tutto.Ciò avviene a questa temperatura e pressione atmosferica standard, ovvero 14,7 libbre per pollice quadrato (PSI [1 bar]).In altre parole, in un giorno in cui la pressione atmosferica al livello del mare è di 14,7 psi, il punto di ebollizione dell'acqua al livello del mare è di 212 gradi Fahrenheit;lo stesso giorno sulle montagne a 5.000 piedi di questa regione, la pressione atmosferica è di 12,2 libbre per pollice quadrato, dove l'acqua avrebbe un punto di ebollizione di 203 gradi Fahrenheit.
Invece di aumentare la temperatura del liquido fino al punto di ebollizione, il processo VCN abbassa la pressione nella camera fino al punto di ebollizione del liquido a temperatura ambiente.Similmente al trasferimento di calore mediante ebollizione, quando la pressione raggiunge il punto di ebollizione, la temperatura e la pressione rimangono costanti.Questa pressione è chiamata tensione di vapore.Quando la superficie interna del tubo o della tubazione è riempita di vapore, la superficie esterna reintegra il vapore necessario per mantenere la pressione del vapore nella camera.
Sebbene il trasferimento di calore mediante ebollizione esemplifica il principio VCN, il processo VCN funziona in modo inverso con l'ebollizione.
Processo di pulizia selettiva.La generazione di bolle è un processo selettivo volto a eliminare determinate aree.La rimozione di tutta l'aria riduce la pressione atmosferica a 0 psi, ovvero la pressione del vapore, provocando la formazione di vapore sulla superficie.Le bolle d'aria crescenti spostano il liquido dalla superficie del tubo o dell'ugello.Quando il vuoto viene rilasciato, la camera ritorna alla pressione atmosferica e viene spurgata, riempiendo il tubo con liquido fresco per il ciclo di vuoto successivo.I cicli di vuoto/pressione sono generalmente impostati da 1 a 3 secondi e possono essere impostati su qualsiasi numero di cicli a seconda delle dimensioni e della contaminazione del pezzo.
Il vantaggio di questo processo è che pulisce la superficie del tubo partendo dalla zona contaminata.Man mano che il vapore cresce, il liquido viene spinto sulla superficie del tubo e accelera, creando una forte increspatura sulle pareti del tubo.L'eccitazione più grande si verifica alle pareti, dove cresce il vapore.In sostanza, questo processo rompe lo strato limite, mantenendo il liquido vicino alla superficie ad alto potenziale chimico.Nella fig.2 mostra due fasi del processo utilizzando una soluzione acquosa di tensioattivo allo 0,1%.
Perché si formi il vapore, è necessario che si formino bolle su una superficie solida.Ciò significa che il processo di pulizia va dalla superficie al liquido.Altrettanto importante, la nucleazione delle bolle inizia con minuscole bolle che si uniscono in superficie, formando infine bolle stabili.Pertanto, la nucleazione favorisce le regioni con un'elevata area superficiale rispetto al volume del liquido, come tubi e diametri interni dei tubi.
A causa della curvatura concava del tubo, è più probabile che si formi vapore all'interno del tubo.Poiché le bolle d'aria si formano facilmente nel diametro interno, il vapore si forma prima lì e abbastanza rapidamente da spostare in genere dal 70% all'80% del liquido.Il liquido in superficie al culmine della fase di vuoto è quasi al 100% vapore, il che imita l'ebollizione della pellicola durante il trasferimento di calore in ebollizione.
Il processo di nucleazione è applicabile a prodotti diritti, curvi o ritorti di quasi qualsiasi lunghezza o configurazione.
Trova risparmi nascosti.I sistemi idrici che utilizzano VCN possono ridurre significativamente i costi.Poiché il processo mantiene elevate concentrazioni di sostanze chimiche a causa di una miscelazione più forte vicino alla superficie del tubo (vedere Figura 1), non sono necessarie elevate concentrazioni di sostanze chimiche per facilitare la diffusione chimica.Una lavorazione e una pulizia più rapide si traducono anche in una maggiore produttività per una determinata macchina, aumentando così il costo dell'attrezzatura.
Infine, sia i processi VCN a base acqua che quelli a base solvente possono aumentare la produttività attraverso l’essiccazione sotto vuoto.Ciò non richiede alcuna attrezzatura aggiuntiva, è solo una parte del processo.
Grazie al design a camera chiusa e alla flessibilità termica, il sistema VCN può essere configurato in vari modi.
Il processo di nucleazione del ciclo del vuoto viene utilizzato per pulire componenti tubolari di varie dimensioni e applicazioni, come dispositivi medici di piccolo diametro (a sinistra) e guide d'onda radio di grande diametro (a destra).
Per i sistemi a base solvente, oltre al VCN è possibile utilizzare altri metodi di pulizia come vapore e spray.In alcune applicazioni uniche, è possibile aggiungere un sistema a ultrasuoni per migliorare la VCN.Quando si utilizzano solventi, il processo VCN è supportato da un processo da vuoto a vuoto (o airless), brevettato per la prima volta nel 1991. Il processo limita le emissioni e l'uso di solventi al 97% o più.Il processo è stato riconosciuto dall'Environmental Protection Agency e dal Distretto della California per la gestione della qualità dell'aria della costa meridionale per la sua efficacia nel limitare l'esposizione e l'uso.
I sistemi a solvente che utilizzano VCN sono convenienti perché ciascun sistema è in grado di effettuare la distillazione sotto vuoto, massimizzando il recupero del solvente.Ciò riduce gli acquisti di solventi e lo smaltimento dei rifiuti.Questo processo stesso prolunga la vita del solvente;la velocità di decomposizione del solvente diminuisce al diminuire della temperatura operativa.
Questi sistemi sono adatti per post-trattamenti come la passivazione con soluzioni acide o la sterilizzazione con perossido di idrogeno o altri prodotti chimici, se necessario.L'attività superficiale del processo VCN rende questi trattamenti rapidi ed economici e possono essere combinati nella stessa progettazione dell'apparecchiatura.
Fino ad oggi, le macchine VCN hanno lavorato sul campo tubi con un diametro fino a 0,25 mm e tubi con rapporti diametro/spessore della parete superiori a 1.000:1.Negli studi di laboratorio, il VCN si è rivelato efficace nella rimozione di bobine contaminanti interne fino a 1 metro di lunghezza e 0,08 mm di diametro;in pratica riusciva a pulire fori passanti fino a 0,15 mm di diametro.
Dr. Donald Gray is President of Vacuum Processing Systems and JP Schuttert oversees sales, PO Box 822, East Greenwich, RI 02818, 401-397-8578, contact@vacuumprocessingsystems.com.
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Orario di pubblicazione: 13 gennaio 2023