Articulo de referencia

Bomba de vacío

El soplador Roots es un ejemplo de bomba de vacío. Una bomba de vacío es un tipo de dispositivo de bombeo que extrae partículas de gas de un volumen sellado para crear un vacío ...

El soplador Roots es un ejemplo de bomba de vacío.

Una bomba de vacío es un tipo de dispositivo de bombeo que extrae partículas de gas de un volumen sellado para crear un vacío parcial . La primera bomba de vacío fue inventada en 1650 por Otto von Guericke , y fue precedida por la bomba de succión, que data de la antigüedad. [ 1 ]

Historia

Bombas antiguas

El predecesor de la bomba de vacío fue la bomba de succión. Se encontraron bombas de succión de doble acción en la ciudad de Pompeya . [ 2 ] El ingeniero árabe Al-Jazari describió posteriormente las bombas de succión de doble acción como parte de las máquinas de elevación de agua en el siglo XIII. También dijo que se utilizaba una bomba de succión en los sifones para descargar el fuego griego . [ 3 ] La bomba de succión apareció más tarde en la Europa medieval a partir del siglo XV. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

Catherine Molchanova, alumna del Instituto Smolny , con una bomba de vacío, por Dmitry Levitzky , 1776.

Para el siglo XVII, los diseños de bombas de agua habían mejorado hasta el punto de producir vacíos medibles, pero esto no se comprendió de inmediato. Lo que se sabía era que las bombas de succión no podían elevar el agua más allá de cierta altura: 18 yardas florentinas según una medición realizada alrededor de 1635, o unos 34 pies (10 m) . Este límite era una preocupación en los proyectos de irrigación, drenaje de minas y fuentes de agua decorativas planeadas por el duque de Toscana , por lo que el duque encargó a Galileo Galilei que investigara el problema. Galileo sugirió, incorrectamente, en sus Dos nuevas ciencias (1638) que la columna de una bomba de agua se rompería por su propio peso cuando el agua se hubiera elevado a 34 pies. [ 6 ] Otros científicos asumieron el desafío, incluido Gasparo Berti , quien lo replicó construyendo el primer barómetro de agua en Roma en 1639. [ 7 ] El barómetro de Berti produjo un vacío sobre la columna de agua, pero no pudo explicarlo. En 1643, Evangelista Torricelli, alumno de Galileo, realizó un gran avance. Basándose en las notas de Galileo, construyó el primer barómetro de mercurio y escribió un argumento convincente de que el espacio superior era un vacío. La altura de la columna se limitó entonces al peso máximo que la presión atmosférica podía soportar; esta es la altura límite de una bomba de succión. [ 8 ] 

En 1650, Otto von Guericke inventó la primera bomba de vacío. [ 9 ] Cuatro años después, realizó su famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo , demostrando que equipos de caballos no podían separar dos hemisferios de los que se había extraído el aire. Robert Boyle mejoró el diseño de Guericke y realizó experimentos sobre las propiedades del vacío. Robert Hooke también ayudó a Boyle a fabricar una bomba de aire que contribuía a generar el vacío.

En 1709, Francis Hauksbee perfeccionó aún más el diseño con su bomba de dos cilindros, donde dos pistones funcionaban mediante un mecanismo de cremallera y piñón que, según se informa, "proporcionaba un vacío con una precisión de aproximadamente una pulgada de mercurio respecto al vacío perfecto". [ 10 ] Este diseño siguió siendo popular y apenas sufrió modificaciones hasta bien entrado el siglo XIX. [ 10 ]

siglo XIX

El aparato de vacío de Tesla, publicado en 1892.

Heinrich Geissler inventó la bomba de desplazamiento de mercurio en 1855 [ 10 ] y logró un vacío récord de aproximadamente 10  Pa (0,1 Torr ). A este nivel de vacío se observan diversas propiedades eléctricas, lo que reavivó el interés por el vacío. Esto, a su vez, condujo al desarrollo del tubo de vacío . [ 11 ] La bomba Sprengel fue un generador de vacío ampliamente utilizado en aquella época. [ 10 ]

siglo XX

A principios del siglo XX se inventaron muchos tipos de bombas de vacío, incluyendo la bomba de arrastre molecular , [ 10 ] la bomba de difusión , [ 12 ] y la bomba turbomolecular . [ 13 ]

Tipos

Las bombas se pueden clasificar en tres categorías principales: desplazamiento positivo, transferencia de momento y atrapamiento. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] Las bombas de desplazamiento positivo utilizan un mecanismo para expandir repetidamente una cavidad, permitir que los gases fluyan desde la cámara, sellar la cavidad y expulsarlos a la atmósfera. Las bombas de transferencia de momento, también llamadas bombas moleculares, utilizan chorros de fluido denso a alta velocidad o paletas giratorias de alta velocidad para expulsar las moléculas de gas de la cámara. Las bombas de atrapamiento capturan gases en estado sólido o adsorbido; esto incluye criobombas , recolectores y bombas de iones . [ 14 ] [ 15 ]

Las bombas de desplazamiento positivo son las más eficaces para vacíos bajos. Las bombas de transferencia de momento, junto con una o dos bombas de desplazamiento positivo, constituyen la configuración más común para alcanzar altos vacíos. En esta configuración, la bomba de desplazamiento positivo cumple dos funciones. En primer lugar, genera un vacío aproximado en el recipiente que se está evacuando antes de que la bomba de transferencia de momento pueda utilizarse para alcanzar el alto vacío, dado que estas bombas no pueden comenzar a bombear a presión atmosférica. En segundo lugar, la bomba de desplazamiento positivo respalda a la bomba de transferencia de momento evacuando a bajo vacío la acumulación de moléculas desplazadas en la bomba de alto vacío. Se pueden añadir bombas de atrapamiento para alcanzar ultra altos vacíos, pero requieren la regeneración periódica de las superficies que atrapan las moléculas de aire o los iones. Debido a este requisito, su tiempo de funcionamiento disponible puede ser inaceptablemente corto tanto en vacíos bajos como altos, lo que limita su uso a ultra altos vacíos. Las bombas también difieren en detalles como las tolerancias de fabricación, el material de sellado, la presión, el caudal, la admisión o no admisión de vapor de aceite, los intervalos de servicio, la fiabilidad, la tolerancia al polvo, a los productos químicos, a los líquidos y a las vibraciones. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

bomba de desplazamiento positivo

La bomba de agua manual extrae agua de un pozo creando un vacío que el agua llena rápidamente. En cierto modo, evacúa el pozo, aunque la alta tasa de filtración de suciedad impide mantener un vacío de calidad durante mucho tiempo.
Mecanismo de una bomba de desplazamiento

Se puede generar un vacío parcial aumentando el volumen de un recipiente. Para evacuar una cámara indefinidamente sin necesidad de un crecimiento infinito, se puede cerrar, vaciar y volver a expandir repetidamente un compartimento del vacío. Este es el principio de funcionamiento de una bomba de desplazamiento positivo , como por ejemplo la bomba de agua manual. Dentro de la bomba, un mecanismo expande una pequeña cavidad sellada para reducir su presión por debajo de la atmosférica. Debido a la diferencia de presión, parte del fluido de la cámara (o del pozo, en nuestro ejemplo) es empujado hacia la pequeña cavidad de la bomba. A continuación, la cavidad se sella, se abre a la atmósfera y se comprime hasta un tamaño minúsculo. [ 14 ] [ 16 ]

Se utilizan sistemas más sofisticados para la mayoría de las aplicaciones industriales, pero el principio básico de eliminación cíclica de volumen es el mismo: [ 17 ] [ 18 ]

La presión base de un sistema de bomba de pistón sellada con caucho y plástico suele ser de 1 a 50 kPa, mientras que una bomba de espiral puede alcanzar los 10 Pa (cuando es nueva) y una bomba de aceite de paletas rotativas con una cámara metálica limpia y vacía puede alcanzar fácilmente los 0,1 Pa.

Una bomba de vacío de desplazamiento positivo mueve el mismo volumen de gas en cada ciclo, por lo que su velocidad de bombeo es constante a menos que se vea contrarrestada por el reflujo.

Bomba de transferencia de impulso

Vista en sección transversal de una bomba turbomolecular de alto vacío.

En una bomba de transferencia de momento (o bomba cinética [ 16 ] ), las moléculas de gas se aceleran desde el lado de vacío hacia el lado de escape (que generalmente se mantiene a una presión reducida mediante una bomba de desplazamiento positivo). El bombeo por transferencia de momento solo es posible por debajo de presiones de aproximadamente 0,1 kPa. La materia fluye de manera diferente a distintas presiones según las leyes de la dinámica de fluidos . A presión atmosférica y vacíos moderados, las moléculas interactúan entre sí y empujan a sus vecinas en lo que se conoce como flujo viscoso. Cuando la distancia entre las moléculas aumenta, estas interactúan con las paredes de la cámara con mayor frecuencia que con otras moléculas, y el bombeo molecular se vuelve más efectivo que el bombeo de desplazamiento positivo. Este régimen se denomina generalmente alto vacío. [ 14 ] [ 16 ]

Las bombas moleculares abarcan un área mayor que las bombas mecánicas y lo hacen con mayor frecuencia, lo que les permite alcanzar velocidades de bombeo mucho más altas. Esto se logra a costa de la estanqueidad entre el vacío y su salida. Al no existir esta estanqueidad, una pequeña presión en la salida puede provocar fácilmente un reflujo a través de la bomba; este fenómeno se denomina bloqueo. Sin embargo, en alto vacío, los gradientes de presión tienen poco efecto sobre el flujo de fluidos, y las bombas moleculares pueden alcanzar su máximo potencial.

Los dos tipos principales de bombas moleculares son la bomba de difusión y la bomba turbomolecular . Ambos tipos de bombas expulsan las moléculas de gas que se difunden hacia la bomba mediante la transmisión de impulso a dichas moléculas. Las bombas de difusión expulsan las moléculas de gas con chorros de aceite o vapor de mercurio, mientras que las bombas turbomoleculares utilizan ventiladores de alta velocidad para impulsar el gas. Ambas bombas se detendrán y dejarán de bombear si se descargan directamente a la presión atmosférica, por lo que deben descargarse a un vacío de menor grado creado por una bomba mecánica, en este caso denominada bomba de respaldo. [ 16 ]

Al igual que con las bombas de desplazamiento positivo, la presión base se alcanzará cuando las fugas, la desgasificación y el reflujo igualen la velocidad de la bomba, pero ahora minimizar las fugas y la desgasificación a un nivel comparable al del reflujo se vuelve mucho más difícil.

Bomba de atrapamiento

Una bomba de atrapamiento puede ser una criobomba , que utiliza bajas temperaturas para condensar gases a un estado sólido o adsorbido; una bomba química, que reacciona con gases para producir un residuo sólido; o una bomba de iones , que utiliza campos eléctricos intensos para ionizar gases e impulsar los iones hacia un sustrato sólido. Un criomódulo utiliza criobombeo. Otros tipos son la bomba de sorción , la bomba de captación no evaporativa y la bomba de sublimación de titanio (un tipo de captador evaporativo que se puede usar repetidamente). [ 14 ] [ 15 ]

Otros tipos

Bomba regenerativa

Las bombas regenerativas aprovechan el comportamiento vorticial del fluido (aire). Su construcción se basa en un concepto híbrido de bomba centrífuga y turbobomba. Generalmente, constan de varios conjuntos de dientes perpendiculares en el rotor que hacen circular moléculas de aire dentro de ranuras huecas estacionarias, como en una bomba centrífuga multietapa. Pueden alcanzar 1 × 10⁻⁵ mbar (0,001 Pa) (cuando se combinan con una bomba Holweck) y evacuar directamente a presión atmosférica. Ejemplos de estas bombas son Edwards EPX [ 19 ] (documento técnico [ 20 ] ) y Pfeiffer OnTool™ Booster 150 [ 21 ]. A veces se las denomina bombas de canal lateral. Debido a su alta tasa de bombeo desde la atmósfera hasta alto vacío y a la menor contaminación, ya que se puede instalar un cojinete en el lado de escape, este tipo de bombas se utilizan en cámaras de carga en procesos de fabricación de semiconductores.

Este tipo de bomba presenta un alto consumo de energía (~1  kW) en comparación con las bombas turbomoleculares (<100 W) a baja presión, ya que la mayor parte de la energía se consume para compensar la presión atmosférica. Esto puede reducirse casi diez veces mediante el uso de una bomba pequeña como respaldo. [ 22 ]

Más ejemplos

Otros tipos de bombas incluyen:

  • Bomba de vacío Venturi ( aspirador ) (10 a 30 kPa)
  • Expulsor de vapor (el vacío depende del número de etapas, pero puede ser muy bajo).

Medidas de desempeño

La velocidad de bombeo se refiere al caudal volumétrico de una bomba en su entrada, que a menudo se mide en volumen por unidad de tiempo. Las bombas de transferencia de momento y de atrapamiento son más eficaces con algunos gases que con otros, por lo que la velocidad de bombeo puede ser diferente para cada uno de los gases que se bombean, y el caudal volumétrico promedio de la bomba variará según la composición química de los gases que permanecen en la cámara. [ 23 ]

El caudal se refiere a la velocidad de bombeo multiplicada por la presión del gas en la entrada y se mide en unidades de presión·volumen/unidad de tiempo. A temperatura constante, el caudal es proporcional al número de moléculas bombeadas por unidad de tiempo y, por lo tanto, al caudal másico de la bomba. Al hablar de una fuga en el sistema o de un reflujo a través de la bomba, el caudal se refiere al caudal de fuga volumétrico multiplicado por la presión en el lado de vacío de la fuga, por lo que el caudal de fuga se puede comparar con el caudal de la bomba. [ 23 ]

Las bombas de desplazamiento positivo y de transferencia de momento tienen un caudal volumétrico constante (velocidad de bombeo), pero a medida que disminuye la presión de la cámara , este volumen contiene cada vez menos masa. Por lo tanto, aunque la velocidad de bombeo se mantiene constante, el caudal y el flujo másico disminuyen exponencialmente. Mientras tanto, las tasas de fuga, evaporación , sublimación y reflujo continúan produciendo un caudal constante hacia el sistema. [ 23 ]

Técnicas

Las bombas de vacío se combinan con cámaras y procedimientos operativos para formar una amplia variedad de sistemas de vacío. En ocasiones, se utiliza más de una bomba (en serie o en paralelo ) en una misma aplicación. Se puede crear un vacío parcial, o vacío preliminar, mediante una bomba de desplazamiento positivo que transporta una carga de gas desde un puerto de entrada a un puerto de salida (escape). Debido a sus limitaciones mecánicas, estas bombas solo pueden alcanzar un vacío bajo. Para lograr un vacío mayor, se deben utilizar otras técnicas, generalmente en serie (normalmente tras un bombeo inicial rápido con una bomba de desplazamiento positivo). Algunos ejemplos podrían ser el uso de una bomba rotativa de paletas sellada con aceite (la bomba de desplazamiento positivo más común) como respaldo de una bomba de difusión, o una bomba de espiral seca como respaldo de una bomba turbomolecular. Existen otras combinaciones según el nivel de vacío que se desee alcanzar.

Lograr un alto vacío es difícil porque todos los materiales expuestos al vacío deben evaluarse cuidadosamente en cuanto a sus propiedades de desgasificación y presión de vapor . Por ejemplo, los aceites, las grasas y las juntas de goma o plástico utilizadas como sellos para la cámara de vacío no deben evaporarse al exponerse al vacío, ya que los gases que producen impedirían la creación del grado de vacío deseado. A menudo, todas las superficies expuestas al vacío deben hornearse a alta temperatura para eliminar los gases adsorbidos . [ 24 ]

La desgasificación también puede reducirse simplemente mediante la desecación antes del bombeo de vacío. [ 24 ] Los sistemas de alto vacío generalmente requieren cámaras metálicas con juntas de sellado metálicas como bridas Klein o bridas ISO, en lugar de las juntas de goma más comunes en los sellos de cámaras de bajo vacío. [ 25 ] El sistema debe estar limpio y libre de materia orgánica para minimizar la desgasificación. Todos los materiales, sólidos o líquidos, tienen una pequeña presión de vapor, y su desgasificación se vuelve importante cuando la presión de vacío cae por debajo de esta presión de vapor. Como resultado, muchos materiales que funcionan bien en vacíos bajos, como el epoxi , se convertirán en una fuente de desgasificación en vacíos más altos. Con estas precauciones estándar, se logran fácilmente vacíos de 1 mPa con una variedad de bombas moleculares. Con un diseño y operación cuidadosos, es posible 1 μPa.

Se pueden utilizar varios tipos de bombas en secuencia o en paralelo. En una secuencia típica de evacuación, se utilizaría una bomba de desplazamiento positivo para eliminar la mayor parte del gas de una cámara, comenzando desde la presión atmosférica (760 Torr , 101 kPa) hasta 25 Torr (3 kPa). Luego, se utilizaría una bomba de sorción para reducir la presión a 10⁻⁴ Torr (10 mPa). Se utilizaría una bomba criogénica o turbomolecular para reducir aún más la presión hasta 10⁻⁸ Torr (1 μPa). Se puede iniciar una bomba de iones adicional por debajo de 10⁻⁶ Torr para eliminar gases que no se manejan adecuadamente con una bomba criogénica o turbomolecular, como el helio o el hidrógeno .

El vacío ultraalto generalmente requiere equipos hechos a medida, procedimientos operativos estrictos y una cantidad considerable de ensayo y error. Los sistemas de vacío ultraalto suelen estar hechos de acero inoxidable con bridas de vacío con juntas metálicas . El sistema generalmente se hornea, preferiblemente al vacío, para elevar temporalmente la presión de vapor de todos los materiales que se desgasifican en el sistema y evaporarlos. Si es necesario, esta desgasificación del sistema también se puede realizar a temperatura ambiente, pero esto lleva mucho más tiempo. Una vez que la mayor parte de los materiales que se desgasifican se han evaporado y evacuado, el sistema se puede enfriar a presiones de vapor más bajas para minimizar la desgasificación residual durante el funcionamiento real. Algunos sistemas se enfrían muy por debajo de la temperatura ambiente con nitrógeno líquido para detener la desgasificación residual y, simultáneamente, criobombear el sistema. [ 26 ]

En sistemas de ultra alto vacío, deben considerarse algunas vías de fuga y fuentes de desgasificación muy inusuales. La absorción de agua del aluminio y el paladio se convierte en una fuente inaceptable de desgasificación, e incluso la capacidad de absorción de metales duros como el acero inoxidable o el titanio debe tenerse en cuenta. Algunos aceites y grasas se evaporan en vacíos extremos. Puede ser necesario considerar la porosidad de las paredes metálicas de la cámara de vacío , y la dirección del grano de las bridas metálicas debe ser paralela a la cara de la brida. [ 26 ]

Debe considerarse el impacto del tamaño molecular. Las moléculas más pequeñas pueden filtrarse con mayor facilidad y son absorbidas más fácilmente por ciertos materiales, y las bombas moleculares son menos eficaces para bombear gases con pesos moleculares más bajos. Un sistema puede evacuar el nitrógeno (el componente principal del aire) hasta alcanzar el vacío deseado, pero la cámara aún podría estar llena de hidrógeno y helio atmosféricos residuales. Los recipientes revestidos con un material altamente permeable a los gases, como el paladio (que es una esponja de hidrógeno de alta capacidad ), generan problemas especiales de desgasificación. [ 26 ]

Aplicaciones

Las bombas de vacío se utilizan en muchos procesos industriales y científicos, entre ellos:

En el campo de la regeneración y re-refinación de petróleo, las bombas de vacío crean un vacío bajo para la deshidratación del petróleo y un vacío alto para la purificación del petróleo. [ 44 ]

El vacío puede utilizarse para alimentar o asistir dispositivos mecánicos. En vehículos con motor híbrido y diésel , se utiliza una bomba instalada en el motor (generalmente en el árbol de levas ) para producir el vacío. En los motores de gasolina , en cambio, el vacío se obtiene normalmente como efecto secundario del funcionamiento del motor y la restricción de flujo creada por la mariposa , pero también puede complementarse con una bomba de vacío eléctrica para aumentar la asistencia de frenado o mejorar el consumo de combustible. Este vacío puede utilizarse para alimentar los siguientes componentes del vehículo: [ 45 ] servofreno de vacío para los frenos hidráulicos , motores que mueven las compuertas en el sistema de ventilación, actuador del acelerador en el servomecanismo de control de crucero , cerraduras de puertas o apertura del maletero.

En una aeronave , la fuente de vacío se utiliza a menudo para alimentar los giroscopios de los distintos instrumentos de vuelo . Para evitar la pérdida total de la instrumentación en caso de fallo eléctrico , el panel de instrumentos está diseñado deliberadamente con ciertos instrumentos alimentados por electricidad y otros por la fuente de vacío. [ 46 ]

Dependiendo de la aplicación, algunas bombas de vacío pueden ser accionadas eléctricamente (mediante corriente eléctrica ) o neumáticamente (mediante presión de aire ), o bien alimentadas y accionadas por otros medios . [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]

Peligros

Los aceites para bombas de vacío antiguos producidos antes de aproximadamente 1980 a menudo contienen una mezcla de varios bifenilos policlorados (PCB) peligrosos , que son contaminantes orgánicos persistentes , altamente tóxicos y cancerígenos . [ 51 ] [ 52 ]

Véase también

Referencias

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