¿Qué son las fugas y cómo se mide el índice de fuga en sistemas de vacío?
Además de los sistemas de vacío reales y sus componentes individuales (depósito de vacío, líneas, válvulas, dispositivos de medición, etc.) hay muchos otros sistemas y productos en los campos de la industria y la investigación con altos requisitos en cuanto a estanqueidad o el llamado "sellado hermético". Entre ellos se incluyen, en particular, los montajes para la industria de la automoción y la refrigeración.
Las afirmaciones generalizadas que se hacen con frecuencia, como "fugas no detectables" o "índice de fuga cero", no representan una base adecuada para la prueba de aceptación.
Todo ingeniero experimentado sabe que las especificaciones de aceptación correctamente formuladas indicarán un índice de fuga determinado en condiciones definidas. La propia aplicación también determina qué índice de fuga es aceptable.
Tipos de fugas
La definición más simple para el término "fuga" la define como: una "abertura" en una pared (de separación) o barrera a través de la cual pueden salir sólidos, líquidos o gases no un modo no deseado.
Según el tipo de material o fallo de unión, se diferencian los siguientes tipos de fugas:
- Fugas en uniones desmontables: bridas, superficies de contacto con el suelo, cubiertas
- Fugas en uniones permanentes: cordones de soldadura, juntas encoladas
- Fugas debidas a porosidad: en particular posteriores a una deformación mecánica (dobladura) o a un procesamiento térmico de sustancias policristalinas y componentes
colados - Fugas térmicas: se abren a temperaturas extremas (calor/frío), sobre todo en las juntas soldadas
- Fugas aparentes (virtuales): cantidades de gas liberadas de huecos y cavidades internos de piezas coladas, orificios y uniones ciegos (también como consecuencia de la evaporación de líquidos).
- Fugas indirectas: fugas en las líneas de suministro de los sistemas de vacío u hornos (agua, aire comprimido, salmuera).
- "Fugas en serie": son las fugas que se producen al final de varios "espacios conectados en serie", p. ej., las fugas en la sección llena de aceite del cárter de aceite de una bomba de paletas rotativas.
- "Fugas unidireccionales": permiten que el gas pase en una dirección pero son estancas en la otra (muy raramente).
Una zona que no es estanca al gas pero que no presenta fugas en el sentido de que hay un defecto es la siguiente:
- Permeación: permeabilidad natural de los gases por materiales como mangueras de goma, juntas de elastómero, etc. (salvo si estos componentes se han vuelto frágiles y, por tanto, tienen fugas).
Índice de fuga, tamaño de la fuga másica (de gas)
Ningún dispositivo o sistema de vacío puede ser absolutamente estanco al vacío y no es necesario que lo sea. Lo esencial es que el índice de fuga sea lo suficientemente bajo como para que no influya en la presión de funcionamiento necesaria, el equilibrio de gas y la presión final en el recipiente al vacío. De ello se deduce que los requisitos relativos a la estanqueidad al gas de un aparato son más estrictos cuando menores sean los niveles de presión requeridos.
Para poder registrar cuantitativamente las fugas, se introdujo el concepto de "índice de fuga" con el símbolo qL y la unidad mbar·l/s.
Existe un índice de fuga de qL = 1 mbar·l/s cuando en un recipiente cerrado y vacío con un volumen de 1 l la presión aumenta 1 mbar por segundo o, si hay presión positiva en el recipiente, la presión desciende 1 mbar por segundo.
El índice de fuga de un recipiente indica la cantidad de flujo de gas que escapa a través de las paredes del recipiente. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el índice de fuga depende del tipo de gas.
Si se conoce la temperatura del gas T y la masa molar M de un gas G, el flujo másico de gas se puede calcular a partir del índice de fuga qL utilizando la ecuación de estado para gases ideales a través de la relación
Δm/Δt = (qL·M)/(R·T)
Unidad: g/s
con:
- R = 83,14 (mbar·l) / (mol·K)
- T = Temperatura del gas en K
- M = Masa molar en g/mol
- Δm = Masa en g
- Δt = Intervalo de tiempo en s
La relación se utiliza:
a) Para determinar el flujo másico Δm/Δt a un índice de fuga conocido de qL; o bien
b) para determinar el índice de fuga qL a un flujo másico de gas conocido Δm/Δt
Para los sistemas de alto vacío, se aplica la siguiente regla general:
- qL(aire) < 10-6 mbar·l/s = El sistema es "muy estanco"
- qL(aire) < 10-5 mbar·l/s = El sistema es "bastante estanco"
- qL(aire) > 10-4 mbar·l/s = El sistema tiene fugas
De hecho, una fuga puede compensarse con una bomba de vacío de capacidad suficiente, ya que lo siguiente se aplica a la presión final (de funcionamiento) alcanzable Pult:
Pult = qL/Seff
con:
- QL = Índice de fuga en mbar·l/s
- Seff = velocidad de bombeo efectiva de la bomba de vacío en el depósito de vacío en l/s
Si Seff se aumenta lo suficiente, siempre es posible alcanzar una presión final (de funcionamiento) especificada pult independiente del índice de fuga qL.
En la práctica, sin embargo, un aumento deseado de Seff puede no ser realizable debido a razones económicas y de diseño (altos costes de inversión y alta necesidad de espacio).
Si no se alcanza la presión final deseada en un sistema de vacío, normalmente hay dos causas:
1. Presencia de fugas o
2. Liberación de gas de las paredes del recipiente y de las juntas.
Para diferenciar entre las dos causas, puede utilizarse un análisis de presión parcial con un espectrómetro de masas o una prueba de aumento de presión relacionada con el tiempo. Puesto que solo es posible determinar la existencia de una fuga y no su posición en el sistema al utilizar la prueba de aumento de presión, se recomienda utilizar un detector de fugas de helio, que también permite localizar las fugas con mayor rapidez.
Para obtener una visión general de la correlación entre el tamaño geométrico del orificio y el índice de fuga asociado, es posible operar sobre la base de la siguiente estimación aproximada:
Un orificio circular con un diámetro D = 1 cm en la pared de un recipiente de vacío se cierra con una válvula. La presión atmosférica (p = 1013 mbar) prevalece en el exterior, con vacío en el interior. Cuando se abre la válvula, el aire fluye a la velocidad del sonido (vs = 330 m/s) a través de la sección transversal de apertura de A = π·(D2/4) ~ 0,79 cm2 hacia el depósito. La cantidad de aire que entra en el depósito es de q L(aire) = p·vs·A ~ 2,6·104 mbar·l/s.
Si todas las demás condiciones se mantienen idénticas y se permite que el helio fluya hacia el orificio a su velocidad de sonido de 970 m/s, la tasa de fuga de helio qL(helio) es de ~ 7,7·104 mbar·l/s, por lo que el índice de fuga es significativamente mayor.
Esta mayor "sensibilidad" para el helio se utiliza en la detección de fugas y ha dado como resultado el desarrollo y la producción masiva de detectores de fugas a base de helio altamente sensibles.
En la Fig. 1 se muestra la correlación entre el tamaño del orificio y el índice de fuga para el aire, con el valor aproximado de qL (aire) = 104 mbar·l/s para el "orificio de 1 cm".
La tabla muestra que cuando el diámetro del orificio D se reduce a 1 µm = 0,001 mm (= reducción de D por el factor 10 000) , el índice de fuga ascenderá a 1,0·10-4 mbar·l/s, un valor que en la tecnología de vacío ya representa una fuga importante (consulte la regla general anterior).
Un índice de fuga de 1,0·10-12 mbar·l/s corresponde al diámetro del orificio de 1 angstrom (Å); es el límite de detección más bajo para los detectores de fugas de helio modernos.
Dado que las constantes de rejilla para muchos sólidos alcanzan varios Å y el diámetro de moléculas más pequeñas (H2, He) es de aproximadamente 1 Å, la permeación inherente a través de sólidos puede registrarse metrológicamente utilizando detectores de fugas de helio. Esto ha llevado al desarrollo de fugas de prueba calibradas con tasas muy pequeñas. Se trata de una "falta de estanqueidad" cuantificable, pero no de una "fuga" como defecto en el material o en la junta.
Correlación entre el diámetro del orificio y el índice de fuga, estimación para el aire
Fig. 1: Correlación entre el diámetro del orificio y el índice de fuga, estimación para el aire
Correlación entre los criterios de estanqueidad y las tasas de fuga
Las estimaciones o mediciones de los tamaños de los átomos, moléculas, virus, bacterias, etc. a menudo han dado lugar a términos cotidianos como "estancos" o "estancos a las bacterias".
| Concepto / criterio | Comentario | qL (mbar l/s) | Tamaño de partícula relevante |
|---|---|---|---|
| Estanco al agua* | Gotas | < 10–2 | |
| Estanco al vapor | "Sudoración" | < 10–3 | |
| Estanco a las bacterias* (cocos) (en forma de varilla) |
< 10–4 | ∅ ≈ 1 μm |
|
| Estanco al aceite | < 10–5 | ||
| Estanco a los virus* (vacunas, por ejemplo, varicela) (virus pequeños, bacteriófagos) (viroides, ARN) |
< 10–6 < 10–8 < 10–10 |
||
| Estanco a los gases | < 10–7 | ||
| "Completamente estanco" | Técnico | < 10–10 |
* A diferencia del vapor, es necesario diferenciar entre sólidos hidrófilos e hidrófobos. También debe hacerse para bacterias y virus, ya que su método de transporte más habitual son las soluciones.
Naturaleza y límites de detección de los métodos de detección de fugas más utilizados:
Fig. 2: Naturaleza y límites de detección de los métodos de detección de fugas empleados habitualmente.
Índice de fuga estándar de helio
Para una definición inequívoca de una fuga, se requieren las presiones que prevalecen a cada lado de la pared (del recipiente) y la naturaleza del medio que atraviesa esa pared (viscosidad, masa molar). En el caso de que la prueba se realice con helio a una diferencia de presión de 1 bar desde la presión atmosférica (externa) hasta el vacío (p < 1 mbar, interno) que se encuentra con frecuencia en la práctica, se ha introducido la designación "índice de fuga de helio" en la norma DIN EN 1330-8.
Para indicar la tasa de rechazo de una prueba con helio en condiciones estándar, es necesario convertir primero las condiciones reales de la prueba en condiciones estándar de helio. A continuación se muestran algunos ejemplos de dichas conversiones:
Fig. 3: Ejemplos para la conversión de tasas de fuga a tasas de fuga estándar de helio
Fórmulas de conversión
En cuanto a la conversión de la presión y del tipo de gas (viscosidad, masa molar), hay que tener en cuenta que se aplican diferentes fórmulas al flujo laminar viscoso y molecular. El límite entre estas áreas es muy difícil de determinar. Como guía, se puede asumir lo siguiente: a tasas de fuga
qL > 10–4 mbar·l/s de flujo laminar viscoso
y a tasas de fuga
qL < 10–6 mbar·l/s de flujo molecular
En el rango intermedio, el fabricante (responsable en virtud de los términos de la garantía) debe asumir valores en el lado seguro.
Aquí los índices "I" y "II" se refieren a la relación de presiones de uno u otro y los índices "1" y "2" se refieren al interior y al exterior del punto de fuga, respectivamente. Para un uso razonable de las fórmulas, la presión p1 debe ser siempre la presión más alta (p1 > p2).
Tabla 2: Fórmulas para la conversión de la presión y del tipo de gas
p = presión, q = flujo de gas (índice de fuga), η = viscosidad, M = masa molar
| Flujo | Laminar viscoso | Molecular |
| Presión | qI ·(p12− p22)II = qII · (p12−p22)I |
qI · (p1−p2)II = qII · (p1−p2)I |
| Tipo de gas | q GasA · η GasA = q GasB · η GasB | q GasA·(M GasA)1/2 = q GasB·(M GasB)1/2 |
Términos y definiciones
Al buscar fugas , generalmente se debe distinguir entre dos tareas: (1) localizar fugas y (2) medir el índice de fuga.
Además, en función del sentido de circulación del fluido se distingue entre los siguientes métodos:
a. el método de vacío ("fuga de fuera adentro") cuyo sentido de circulación se dirige al objeto de prueba; la presión dentro del objeto de prueba es inferior a la ambiente; y
b. el método de presión positiva ("fuga de dentro afuera"), en el que el flujo se origina desde el interior del objeto de prueba hacia el exterior; la presión interna del objeto de prueba es mayor que la ambiente.
Siempre que sea posible, debe aplicarse el método que corresponda a la última aplicación de los objetos de prueba para llevar a cabo el análisis pertinente (esto es, el método de vacío para componentes de aplicaciones de vacío y el de presión positiva para aquellos componentes que queden presurizados de forma interna).
A la hora de medir los índices de fuga, distinguimos entre los siguientes tipos de registro:
a. fugas individuales (medición local), Fig. 4b y 4d, a continuación,
y el registro de
b. total de todas las fugas en el objeto de prueba (medición integral), Fig. 4a y 4c, a continuación.
El índice de fuga más pequeño que ya no es tolerable de acuerdo con las especificaciones de aceptación se conoce como índice de fuga de rechazo. Su cálculo se basa en la condición de que el objeto de prueba no falle durante su periodo de utilización planificado debido a fallos causados por fugas, y esto con cierto grado de certeza.
A menudo, no se determina el índice de fuga del objeto de prueba en condiciones de funcionamiento normales, sino la tasa de rendimiento de un gas de prueba en condiciones similares. Los valores de medición alcanzados deben convertirse para que se correspondan con la situación real de la aplicación en lo que respecta a las presiones dentro y fuera del objeto de prueba y el tipo de gas (o líquido) que se está manipulando.
Si hay vacío en el interior del objeto de prueba (p < 1 mbar), presión atmosférica en el exterior y se utiliza helio en el gas de prueba, se hace referencia a las condiciones estándar de helio. Las condiciones estándar de helio siempre están presentes durante la detección de fugas de helio en un sistema de vacío cuando el sistema se conecta a un detector de fugas, si el sistema se bombea a un nivel inferior a 1 mbar y si se pulveriza helio (técnica de pulverización) (consulte la Fig. 4b).
Si el objeto de prueba es evacuado únicamente por el detector de fugas, significa que el detector está funcionando en el modo de flujo directo del detector de fugas (LD). Si el objeto de prueba es en sí mismo un sistema de vacío completo con su propia bomba de vacío y el detector de fugas funciona en paralelo a las bombas del sistema, entonces se trata del modo de flujo parcial del detector de fugas. También se habla del flujo parcial cuando se utiliza una bomba auxiliar independiente en paralelo al detector de fugas.
Cuando se utiliza el método de presión positiva, a veces es poco práctico, o directamente imposible, medir el índice de fuga directamente, mientras que ciertamente podría detectarse en un sobre que encierra el objeto de prueba. La medición se puede realizar conectando esa envoltura al detector de fugas o mediante acumulación (= aumento de la concentración) del gas de prueba dentro de la envoltura (consulte la Fig. 4c). La prueba de bombeo es una versión especial de la prueba de acumulación.
En la denominada técnica de "sniffer", otra variación de la técnica de presión positiva, el gas (de prueba) que sale de las fugas es recogido (extraído) por un aparato especial e introducido en el detector de fugas (consulte la Fig. 4d). Este procedimiento se puede llevar a cabo utilizando helio, hidrógeno, refrigerantes o SF6 como gas de prueba.
Opciones de uso para un detector de fugas de vacío basadas en el método de vacío (a, b) y en el método de presión positiva (c, d)
Fig. 4: Opciones de uso para un detector de fugas de vacío basadas en el método de vacío (a, b) y en el método de presión positiva (c, d)
| Método de vacío = Vacío dentro de la muestra | Método de presión positiva = Gas de prueba presurizado dentro de la muestra |
| a: Prueba del recinto (detección de fugas integral) | c: Prueba del recinto (detección de fugas integral) |
| b: Técnica de pulverización (detección de fugas local) | d: Técnica "sniffer" (detección de fugas locales) |
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