Druck, Vakuum und der ganze Rest- eine Einführung

Das gemeine Vakuum stellt einen den Anforderungen* entsprechenden Zustand geringen Drucks dar. In einem Idealen Vakuum würde sich also keine Luft und keine sonstigen Gase oder Dämpfe befinden, nicht einmal mehr Atome die umherschwirren - ein völlig materiefreier Raum.


Nur gibt es leider das ideale Vakuum nicht und da es recht schwierig ist auch nur in die Nähe des physisch idealen Vakuums zu kommen sollten wir uns erst mal damit beschäftigen wie Vakuum gemessen wird und weiterhin was wir dann überhaupt als Restgas/dampf noch in einer Kälteanlage tollerieren können.

Bei der Vakuum-Messung gehen wir von einem absoluten Bezugsystem aus.
Wenn Atome/Moleküle durch ihre Eigenbewegung gegen eine Wand prasseln bezeichnen wir das als Druck. Je mehr von ihnen das tun desto höher ist der Druck. Im Umkehrschluss wird er umso niedriger, je weniger Moleküle/Atome auf sie einprasseln.
Wenn also keine Materie mehr da ist, ist der Druck null und wir haben ein ideales Vakuum.
Von diesem Punkt an beginnt das absolute Bezugsystem mit der Zählung, z.B. beträgt der Druck der Atmosphäre (schließlich atmen wir Gas, also muss es einen Druck größer null herrschen) 1013mbar, rund 1bar(a) betragen.
Ok man könnte denken: "Kein Problem pumpen wir doch einfach die Luft raus".
So einfach ist das aber leider nicht. Da der Druck und damit die Restmenge an Atomen gegen null strebt kann man immer weniger des verbleibenden Gases wegpumpen. In der Praxis gibt man, weil es sonst keine Ende nimmt mit den Stellen hinterm Komma, den Druck mit einer 10er Potenz an.

Beispiele:
1000mbar = 10³mbar= 1E3mbar =1bar
1mbar = 10°mbar
0,001mbar = 10¯³mbar =1E-3mbar

Weitere Einheiten:
1Torr = 1,332mbar = 1mmHg(Quecksilbersäule) (von Torricelli)
1Torr = 1000micron = 133,2Pa
100Pa (Pascal) = 1mbar

Nun, wie hoch darf der Restdruck von Luft oder auch Fremdgases (damit bezeichnet man alle nicht zur sinngemäßen Funktion beitragende Gase) in einer Kälteanlage sein?

Wasser (das man ja gar nicht in der Anlage haben möchte) siedet bei 20C° bei ca. 23mbar.
Das heißt, das heist das wir diesen Druck auf jeden Fall erreichen müssen. Wasserdampf kann aber auch gebunden sein, sei es in Flussmittelresten (Kristallwasser), Öl, Trockner, Motorwicklung, Dichtungsmaterialen usw. Auch unerwünschte Stoffe, wie andere Kältemittel oder Reinigungsmittel (Lösemittel vom Spülen) können im Öl oder Polymeren gelöst sein. Um denen Herr zu werden brauchen wir viel niedrigere Drücke, da sie nur in kleinen Mengen (großer Verdünnung) und somit niedrigen Teildrücken vorliegen. Anzustreben sind daher Drücke von 0,1-0,01mbar in der Anlage.



Nun, damit die Moleküle der Luft oder sonstiger Gase durch den Füllschlauch oder die Rohrleitungen zur Pumpe wandern benötigen sie eine Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz kann je nach Volumenstrom aber schon im Bereich von 1 - 0,1mbar liegen! Wenn man nur einen Restdruck von 0,1mbar in der Anlage hat und an der Pumpe 0,01mbar anstehen ist das eine Differenz von 0,09mbar.
Zum Vergleich: Dieser Druck könnte eine Wassersäule nur 0,9mm heben, weniger als ein PC-Lüfter. Es sollte jedem klar sein, das durch einen Schlauch/Rohr mit 4mm Innendruchmesser nicht viel Volumenstrom zustande kommt.
Es ist also nicht so einfach die Biester da heraus zu bekommen...
Deshalb hat es einen großen Vorteil dicke, kurze und viele Schläuche gleichzeitig zum Evakuieren zu verwenden und dem ganzen Prozess Zeit zu geben, umso mehr wenn man keine Messmöglichkeit besitzt.
Faustregel: Saugleitung zur Vakuumpumpe kurz und Durchmesser groß halten. Man benötigt etwa 8-mal soviel Zeit, um ein bestimmtes Vakuum durch eine ¼ Zoll-, als durch eine ½ Zoll -Leitung zu erzeugen, und zweimal so viel Zeit, wenn die Leitung statt einem Meter zwei Meter lang ist.



Mit dem Mund angesaugte Flüssigkeit: -100 mbar!
1000-100 = 900mbar absolut!!

( Die Annahme, dass 100mbar oder gar 10 mbar absolut zu schaffen seien, ist völlig irrsinnig!!! So aberwitzig, dass selbst hochdelirante Ballermann-Putzeimer-in-Sekunden-Leerer das nicht im Ansatz schaffen. Sollte die Lunge diesem 'lächerlichen' Unterdruck ausgesetzt sein, lohnt nicht mal das Rufen der Rettung - ich würde eher gepflegt zurücktreten - Blutsturz nennt man das )

Membranpumpe: 300..200mbar

Wasserstrahlpumpe: Wenn das antreibende Medium dieser Strahlpumpe Wasser ist, ist bei dieser - auch bei wohlwollender Betrachtung - bei 20mbar Schluss - praktisch eher 30..40mbar.
Die Entfernung von Wasser mit einer solchen Pumpe halte ich daher praktisch fast für ausgeschlossen... aber Versuch macht kluch, kann sich ja mal jemand die Freude machen

1-stufige Drehschieberpumpen: 1..0,1 mbar, also: 10¯°...10¯¹ mbar! ( mit Mühe noch ein wenig tiefer )
2-stufige Drehschieberpumpen:10¯¹...10¯³ mbar ( wenn gut, frisches Öl + warmgelaufen: 5x10¯4 mbar. ) >> Das wird für unsere Anwendung das Mittel der Wahl sein.

Ab da wird es dann überhaupt interessant, da fängt dann die Hochvakuumtechnik erst an:
Fernsehbildröhre: 10¯7...10¯8 mbar! ( Zehn hoch minus Sieben ! )
Das hat mit Kälte nichts mehr zu tun und sei nur am Rande erwähnt.
Ist eh nur mit Strahlpumpen= Diffusionspumpen, Turbomolekularpumpen und Ionengetterpumpen zu schaffen. Und da verlässt die Physik das Machbare, oder umgedreht: weil es da nicht, oder so gut wie nichts mehr zu pumpen gibt, gibt es auch keinerlei Strömung mehr! Die Rest-Ionen weigern sich! Bleiben einfach an den Wänden kleben. Wie gemein.




(Eine 2 stufige Vakuumpumpe "Vakuubrand RZ-5")

Man unterscheidet hier eine Vielzahl an Geräten und Verfahren.

Das gängigste und billigste ist das Bourdon Manometer, man kennt es auch von der Monteurhilfe.
Diese haben aber einen entscheidenden Nachteil: Sie messen das Vakuum vergleichend mit dem Umgebungsdruck, da dieser aber je nach Wetter und Tageszeit schwankt und meist nicht bekannt ist bekommt man Anzeigewerte von +-50mbar. Somit kann man damit nur extrem grobe Abschätzungen machen.

Mechanische Absolutvakuummeter sind da schon ein gutes Stück besser. Die angezeigten Werte sind gasartunabhäng und als Vergleichsdruck wird ein eigenes qualitativ hochwertiges inneres Vakuum verwendet.
Es gibt sie auch als Instrument mit logarithmischer Anzeige Teilung und werden dann als "Torrlupe" (Torr ist eine Druckmaßeinheit mmHg) bezeichnet.
Nachteil: Mit der Zeit und je nach Bauart wird das mitgebrachte Referenzvakuum zunehmend mit Helium und anderen Gasen aus der Atmosphäre kontaminiert was einen Verlust der Messgenauigkeit bedeutet.
Hersteller: Wallace & Tiernan und Oerlikon (ehemals Leybold Vakuum), semiprofessionell auch Blondelle

Elektronische Messgeräte sind meist auf Basis der Wärmeleitfähigkeit des zu messenden Gases aufgebaut.
Beispiele sind z.B. das Pirani Vakuummeter (wie sie von diversen Herstellern auch mit Schradern verkauft werden)
Vorteile sind ein großer Messbereich und eine hohe Auflösung. Nachteilig ist besonders die Gasartabhängigkeit was Messfehler bist 1000% des Anzeigewertes ausmachen kann.
Deshalb ist dem Messwert erhöhte Beachtung zu schenken und auf Plausibilität zu prüfen, denn bereits geringe Mengen Kältemittel verfälschen das Ergebnis erheblich.

Ein weiterer Kandidat ist das Keramikmembrankapazitätsvakuummeter. Der Aufbau bringt auch sein eigenes Referenzvakuum mit. Die Messung erfolgt über die Kapazitätsänderung von sich gegenüberstehenden Flächen, eine ist dabei als Membran ausgebildet.
Vorteil sind hohe und gasartunabhängige Genauigkeit und gute Linearität. Nachteil ist das das innere Vakuum auch mit der Zeit schlechter wird und es ist sehr teuer ;-)

Weitere elektronische Geräte sind: Kaltkathodenionisationsvakuummeter (Penning) und Heißkathodenionisationsvakuummeter (Bayard-Alpert)

Man sollte niemals 2 Vakuummeter gleichzeitig anschließen! Das führt in ein großes Dilemma, denn beide werden unterschiedliche Werte anzeigen. Nicht so schlimm, aber das verleitet dazu ein 3. zu kaufen, das wiederum einen anderen Wert anzeigt. Dieses Spielchen wird man weiter treiben bis man erkennt das es eine schlechte Idee war Vakuummeter zu vergleichen. Der Keller ist dann allerdings schon voll.





bar(a): Der absolute Druck wie o. erläutert.
bar(g): Ein Messwert im relativen Bezugsystem, g steht dabei für gravimetrisch und beschreibt damit das der Vergleichsdruck der Druck der Luftsäule am Messort ist. (Meist 1,013bar absolut)
Dem Luftdruck ausgesetzt würde ein nach bar(g) kalibriertes Manometer also 0 anzeigen. (das tun die meisten).

Totaldruck: Addierter Druck aller Einzelgase/Komponenten in einem abgeschlossenen System. Dieser Druck wird auf dem nach bar(a) kalibrierten Manometer angezeigt.

Partialdruck (oder auch Teildruck): Druck eines bestimmten Gases/Komponente in einem System. Der Sauerstoffpartialdruck der Atmosphäre ist proportional zum Volumenanteil und liegt damit bei 210mbar.
Bei nicht kondensierbaren, halbwegs idealen Gasen verhalten sich die Teildrücke proportional zu den Volumenanteilen.

Endpartialdruck: Der an der Blindgeflanschten Pumpe am Saugstutzen mit einem Absolutvakuummeter zu messende Druck.

Endtotaldruck: Der an der blindgeflanschten Pumpe am Saugstutzen mit einem Absolutvakuummeter zu messende Druck, vermindert um den im Förderraum der Pumpe noch herrschenden Teildruck ( Partialdruck ). Dieser stammt von den, die Pumpe nach außen dichtenden Medien, beispielsweise Öl, aber auch von Betriebsmedien wie Öl - früher auch Quecksilber - bei Diffusionspumpen. Auch Kühlmedien wie Wasser können u.U. hierzu zählen.

Endpartialdruck mit Gasballast: Wie oben, abzüglich Druckdifferenz durch Gasballast.

Evakuieren: Hat nichts mit Entlüften, Vakuummieren oder sonstigen Grauslichkeiten zutun.

Wird weiter fortgesetzt!

Mitarbeit: Volker B.

Quellen:
H.-J. Ullrich, Kältetechnik I+II, Cool Vlg.
Leybold Vakuumguide