¿Cómo funciona una bomba criogénica?
Como puede ya haber observado, el agua se condensa en la grifería de agua fría o en las ventanas y aparece hielo en el evaporador de su frigorífico. Este efecto de la condensación de gases y vapores sobre superficies frías (y en especial del vapor de agua) como se conoce habitualmente no se produce únicamente a la presión atmosférica, sino también en el vacío.
Este efecto lleva utilizándose mucho tiempo en condensadores, principalmente para procesos químicos; anteriormente, el deflector de las bombas de difusión se solía enfriar mediante máquinas de refrigeración. Además, en espacios estancos (una cámara de vacío) la generación de condensado sobre superficies frías conlleva la eliminación de una gran cantidad de moléculas de gas del volumen: permanecen sobre la superficie fría y dejan de participar en la agitada atmósfera del gas contenido en la cámara. Es entonces que decimos que las partículas han sido "bombeadas" y hablamos de "bombas criogénicas" cuando este "efecto de bombeo" se consigue por medio de superficies frías.
La ingeniería criogénica se diferencia de la de refrigeración en que las temperaturas de la primera se encuentran en el rango inferior a 120 K (< −153 °C [−243,4 °F]). A este respecto surgen dos preguntas:
a) ¿Qué principio de refrigeración se emplea en la ingeniería criogénica (o en las bombas criogénicas) y cómo se reduce o separa la carga térmica de la superficie fría?
b) ¿Cuáles son los principios de funcionamiento de las bombas criogénicas?
Tipos de bombas criogénicas
En función del principio de refrigeración, se distingue entre las siguientes unidades:
- Criostatos de baño
- Bombas criogénicas de circulación continua
- Bombas criogénicas refrigeradoras
Criostatos de baño
En los criostatos de baño (que, en su forma más sencilla, son trampas frías llenas de LN2 [nitrógeno líquido]), la superficie de bombeo se refrigera por contacto directo con un gas licuado. En las superficies refrigeradas con LN2 (T ≈ 77 K) el H2O y el CO2 son capaces de condensarse. En superficies refrigeradas a aprox. ≈ 10 K, es posible bombear por condensación todos los gases, salvo el He y el Ne. Las superficies refrigeradas con helio líquido (T ≈ 4,2 K) pueden condensar todos los gases con la salvedad del helio.
Bombas criogénicas de circulación continua
En las bombas criogénicas de circulación continua, la superficie fría está diseñada para hacer las veces de intercambiador de calor. Se bombea suficiente helio líquido desde un depósito hasta el punto de evaporación por medio de una bomba auxiliar con el fin de conseguir una temperatura lo suficientemente baja en la superficie fría (el panel criogénico).
El helio líquido se evapora en el intercambiador de calor, con lo que se enfría el panel criogénico. El gas de desecho que se genera (He) se utiliza en un segundo intercambiador de calor para enfriar el deflector de una pantalla térmica de radiación que protege el sistema de la radiación térmica procedente del exterior. El helio frío de escape (en estado gaseoso) expulsado por la bomba de helio se suministra a una unidad de recuperación de helio. Es posible controlar la temperatura de los paneles criogénicos mediante el control de la circulación del helio.
Bombas criogénicas refrigeradoras
Hoy en día, las bombas criogénicas refrigeradoras se usan casi exclusivamente para aplicaciones concretas (vacío a demanda). El funcionamiento de estas bombas es, por lo general, muy similar al de un frigorífico doméstico normal, por lo que cabe emplear los siguientes ciclos termodinámicos que consumen helio como refrigerante:
- El proceso de Gifford-McMahon
- El proceso de Stirling
- El proceso de Brayton
- El proceso de Claude
El de Gifford-McMahon es el más usado hoy en día y para el que el desarrollo ha llegado más lejos. Ofrece la posibilidad de separar los puntos de colocación del compresor de gran tamaño y la unidad de expansión en la que tiene lugar el proceso de refrigeración. De este modo, es posible diseñar una fuente de frío compacta y con bajas vibraciones. Las series de bombas criogénicas fabricadas por Leybold funcionan con cabezas de enfriamiento de dos etapas conforme al proceso de Gifford-McMahon, que se trata con detalle más adelante.
En la Fig. 2.65 se muestra una bomba criogénica refrigeradora al completo, que consta de un compresor (1), conectado mediante líneas de presión flexibles (2) (y, por consiguiente, no presenta vibraciones) a la bomba criogénica (3). Esta, a su vez, consta de la carcasa y el cabeza de enfriamiento contenido en ella. A modo de refrigerante se usa helio, que circula en un ciclo cerrado con ayuda del compresor.
2.65: Todos los componentes de una bomba criogénica refrigeradora.
- Unidad del compresor
- Líneas de presión flexibles
- Cabeza de enfriamiento (sin superficies de condensación)
La cabeza de enfriamiento y su principio de funcionamiento
En el interior de la cabeza de enfriamiento, hay un cilindro dividido en dos espacios de trabajo V1 y V2 por medio de un desplazador. Durante el funcionamiento del espacio derecho, V1 está caliente y V2, frío. A una frecuencia del desplazador f, la potencia de refrigeración W del refrigerador es la siguiente: (2.26)
2.26
El desplazador se desplaza de ida y vuelta por acción neumática, con lo que se obliga al gas a atravesar el desplazador y, por tanto, también el regenerador contenido en este último. El regenerador es un acumulador de calor con una superficie intercambiadora de calor de gran tamaño, que hace las veces de intercambiador de calor para el ciclo. En la Fig. 2.66 se indican someramente las cuatro fases de la refrigeración de una cabeza de enfriamiento de refrigeración de una etapa conforme al principio de Gifford-McMahon.
Fig. 2.66: Fases de la refrigeración con cabeza de enfriamiento de una sola etapa que funciona según el proceso de Gifford-McMahon.
Fase 1:
El desplazador se encuentra en el punto muerto izquierdo; V2, el punto en el que se genera el frío, se encuentra en su tamaño mínimo. La válvula N permanece cerrada y la H se abre. El gas a la presión pH atraviesa el regenerador hasta llegar a V2. Allí, el gas se calienta por el aumento de presión de V1.
Fase 2:
La válvula H permanece abierta, la válvula N, cerrada: el desplazador se desplaza hacia la derecha y expulsa el gas de V1 por el regenerador hasta V2, donde se enfría en el regenerador frío; V2 tiene su volumen máximo.
Fase 3:
La válvula H se cierra y la válvula N que conduce al depósito de baja presión se abre. El gas se expande de pH a pN, por lo que se enfría. De este modo, se elimina el calor de las proximidades y se transporta con el gas de expansión al compresor.
Fase 4:
Con la válvula N abierta, el desplazador se desplaza hacia la izquierda; el gas de V2,máx circula por el regenerador, enfriándolo, para seguidamente fluir hacia el volumen V1 y hacia el depósito de baja presión. De este modo, termina el ciclo.
Principio de funcionamiento de la cabeza de enfriamiento GM de Leybold
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La cabeza de enfriamiento de dos etapas
Las bombas criogénicas refrigerantes fabricadas en serie por Leybold hacen uso de una cabeza de enfriamiento de dos etapas que funciona conforme al principio de Gifford-McMahon (véase la Fig. 2.67). En dos etapas conectadas en serie, se reduce la temperatura del helio hasta los aproximadamente 30 K en la primera etapa y posteriormente hasta unos 10 K en la segunda. Podrá alcanzarse un valor de temperatura tan bajo como lo permitan otros factores relevantes, entre otros, el tipo de regenerador. Normalmente, se usa cobre-bronce en el regenerador de la primera etapa y plomo en el de la segunda. Existen otros materiales que pueden usarse de regeneradores para aplicaciones especiales, por ej., criostatos para temperaturas extremadamente bajas (T < 10 K). En la Fig. 2.67 se muestra el diseño esquematizado de una cabeza de enfriamiento de dos etapas. Por medio de un mecanismo de control con una válvula de control accionada por motor (18) con disco de control (17) y orificios de control, primeramente se modifica la presión del volumen de control (16), lo que provoca que se muevan los desplazadores (6) de la primera y la segunda etapa (11); inmediatamente después, la presión de todo el volumen del cilindro se iguala por acción del mecanismo de control. La cabeza de enfriamiento está conectada al compresor mediante líneas de presión flexibles.
Fig. 2.67: Diagrama de una cabeza de enfriamiento de dos etapas.
- Conexiones eléctricas y conexión interfacial de corriente del motor de la cabeza de enfriamiento
- Conexión de alta presión de He
- Conexión de baja presión de He
- Cilindro, 1.ª etapa
- Desplazador, 1.ª etapa
- Regenerador, 1.ª etapa
- Volumen de expansión, 1.ª etapa
- 1.ª etapa (enfriamiento) (brida de cobre)
- Cilindro, 2.ª etapa
- Desplazador, 2.ª etapa
- Regenerador, 2.ª etapa
- Volumen de expansión, 2.ª etapa
- 2.ª etapa (enfriamiento) (brida de cobre)
- Cámara de medición de la presión de vapor
- Pistón de control
- Volumen de control
- Disco de control
- Válvula de control
- Indicador para el termómetro de presión de vapor de hidrógeno
- Motor de la cabeza de enfriamiento
El diseño de las bombas criogénicas refrigeradoras
En la Fig. 2.68 se muestra el diseño de una bomba criogénica. Se refrigera mediante una cabeza de enfriamiento de dos etapas. La pantalla térmica de radiación (5) con el deflector (6) está estrechamente relacionada térmicamente con la primera etapa (9) de la cabeza de enfriamiento. A presiones inferiores a 10-3 mbar, la carga térmica se debe principalmente a la radiación térmica. Por esta razón, la segunda etapa (7) con los paneles de condensación y criosorción (8) está rodeada por la pantalla térmica de radiación (5), pulimentada y negra en su parte interna y niquelada en la externa. En ausencia de carga, el deflector y la pantalla térmica de radiación (primera etapa) alcanzan una temperatura que oscila entre los 50 y los 80 K en los paneles criogénicos y aproximadamente los 10 K en la segunda etapa. Las temperaturas superficiales de estos paneles criogénicos son decisivas para el proceso de bombeo real. Estas temperaturas superficiales dependen de la potencia de refrigeración suministrada por la cabeza de enfriamiento y de las propiedades de conducción térmica en la dirección de la carcasa de la bomba. Durante el funcionamiento de la bomba criogénica, la carga generada por el gas y el calor de la condensación provoca un mayor calentamiento de los paneles criogénicos. La temperatura superficial no solo depende de la temperatura del panel criogénico, sino también de la temperatura del gas que ya se ha congelado en dicho panel. Los paneles criogénicos (8) unidos a la segunda etapa (7) de la cabeza de enfriamiento están recubiertos con carbón activado en su interior para poder bombear gases que no se condensan fácilmente y que solo pueden bombearse mediante criosorción (véase la información que aparece a continuación).
Fig. 2.68: Diseño de una bomba criogénica refrigeradora (diagrama esquemático).
- Brida de alto vacío
- Carcasa de la bomba
- Brida de vacío previo
- Válvula de seguridad para descarga de gas
- Pantalla térmica de radiación
- Deflector
- 2.ª etapa de la cabeza de enfriamiento (≈10 K);
- Paneles criogénicos
- 1.ª etapa de la cabeza de enfriamiento (≈ 50-80 K)
- Indicador para el termómetro de presión de vapor de hidrógeno
- Conexiones para helio gaseoso
- Motor de la cabeza de enfriamiento con carcasa y conexiones eléctricas
Vea el vídeo que aparece a continuación, con una animación del bombeo que se produce en una bomba criogénica
Leybold COOLVAC iCL
La unión de los gases a superficies frías
La conductividad térmica de los gases condensados (sólidos) depende en gran medida de su estructura y, por tanto, de la forma en que se produce el condensado. Es posible que se produzcan variaciones en la conductividad térmica de varios órdenes de magnitud. Con el aumento del espesor del condensado también se incrementa la resistencia térmica y con ella, la temperatura superficial, con la consiguiente reducción de la velocidad de bombeo. La velocidad de bombeo máxima de una bomba recién regenerada se indica como el valor de velocidad de bombeo nominal. El proceso de unión de los diversos gases en la bomba criogénica se lleva a cabo en tres etapas: primero, la mezcla de diferentes gases y vapores llegan al deflector, que se encuentra a una temperatura de unos 80 K. En este punto se condensan principalmente el H2O y el CO2. El resto de gases penetran en el deflector y chocan contra la parte exterior del panel criogénico de la segunda etapa, que se refrigera hasta unos 10 K. En este punto, se condensan gases como el N2, el O2 y el Ar. Solo se mantienen el H2, el He y el Ne. Estos gases no pueden ser bombeados por los paneles criogénicos, que están recubiertos de adsorbente (paneles de criosorción), donde se unen por criosorción. Por tanto, y en lo que respecta a las bombas criogénicas, los gases se dividen en tres grupos en función de a qué temperaturas internas de estas se produzca caída de la presión parcial a menos de 10-9 mbar:
Los distintos mecanismos de unión se diferencian de la siguiente manera:
Criocondensación
La criocondensación es la unión física y reversible de las moléculas de gas mediante fuerzas de Van der Waals sobre superficies lo suficientemente frías del mismo material. La energía de esta unión es igual a la energía de vaporización del gas sólido unido a la superficie y, por lo tanto, disminuye a medida que aumenta el grosor del condensado, al igual que la presión de vapor. La criosorción es la unión física y reversible de las moléculas de gas mediante fuerzas de Van der Waals en superficies suficientemente frías de otros materiales. La energía de unión es igual al calor de adsorción, que es mayor que el calor de vaporización. En cuanto se ha formado una monocapa, las siguientes moléculas afectan a una superficie del mismo tipo (sorbente) y el proceso se transforma en criocondensación. La mayor energía de unión para la criocondensación evita el crecimiento adicional de la capa de condensado, con lo que se restringe la capacidad de los gases adsorbidos. Sin embargo, los adsorbentes utilizados, como el carbón activado, el gel de sílice, el gel de alúmina y el tamiz molecular, tienen una estructura porosa con superficies específicas muy grandes, de unos 106 m2/kg. El "criotrapping" consiste en la inclusión de un gas de punto de ebullición bajo que es difícil de bombear (como el hidrógeno) en la matriz de un gas con un punto de ebullición más alto y que se puede bombear fácilmente, como el Ar, el CH4 o el CO2. A la misma temperatura, la mezcla de condensado tiene una presión de vapor de saturación que es de varios órdenes de magnitud inferior al del condensado puro del gas con el punto de ebullición más bajo.
Teniendo en cuenta la posición de los paneles criogénicos en la bomba criogénica, la conductancia entre la brida de vacío y esta superficie, además de la secuencia de bombeo sustractiva (lo que ya se ha condensado en el deflector no puede llegar a la segunda etapa y consumir capacidad ahí), la situación discurre conforme a lo indicado en la Fig. 2.69.
Fig. 2.69: Paneles criogénicos: la temperatura y la posición definen la eficiencia de la bomba criogénica.
Hidrógeno - Vapor de agua - Nitrógeno
Conductancia relacionada con el área de la brida de admisión en l / s · cm2:
43,9 - 14,7 - 11,8
Velocidad de bombeo de la bomba criogénica en l / s · cm2:
13,2 - 14,6 - 7,1
Relación entre la velocidad de bombeo y la conductancia:
30 % - 99 % - 60 %
Las moléculas de gas que entran en la bomba producen la velocidad teórica de bombeo relacionada con el área según la Ecuación 2.29a con una T = 293 K. Las diferentes velocidades de bombeo se han combinado para tres gases representativos (el H2, el N2 y el H20) tomados de cada uno de los grupos mencionados anteriormente. Puesto que el vapor de agua se bombea por toda la zona de admisión de la bomba criogénica, la velocidad de bombeo del vapor de agua obtenida en la medición corresponde casi exactamente a la velocidad de bombeo teórica calculada para la brida de admisión de la bomba criogénica. Por otro lado, el N2 debe sobrepasar el deflector antes de poner unirse al panel de criocondensación. En función del diseño de este deflector, se refleja entre el 30 y el 50 % de todas las moléculas de N2.
(2.29a)
El H2 llega a los paneles de criosorción después de más colisiones, con lo que se produce enfriamiento del gas. En unos paneles criogénicos de diseño óptimo con un buen contacto con el carbón activo, es posible unir hasta el 50 % del H2 que haya sobrepasado el deflector. Como consecuencia de ciertas restricciones relativas al acceso a las superficies de bombeo y del enfriamiento del gas gracias a las colisiones contra las paredes internas de la bomba antes de que el gas haya alcanzado la superficie de bombeo, la velocidad de bombeo obtenida en la medición de estos dos gases es apenas una fracción de la teórica. La fracción no bombeada es reflejada principalmente por el deflector. Asimismo, la probabilidad de que se produzca adsorción en el H2 difiere entre los diversos adsorbentes y es inferior a 1, mientras que las probabilidades de que se condensen el vapor de agua y el N2 ≈ 1.
Del tamaño de las tres superficies (el deflector, la superficie de condensación en el exterior de la segunda etapa y la de sorción en el interior de la segunda etapa) se derivan tres capacidades distintas de una bomba de los gases que puedan bombearse. Para diseñar una bomba criogénica, se presupone una composición promedio de los gases (la del aire), lo cual, como cabe esperar, no es válido para todos los procesos de vacío (p. ej., los de sputtering; véase el apartado "Regeneración parcial" que aparece a continuación).
Cantidades características de una bomba criogénica
Las cantidades características de una bomba criogénica son las siguientes (en ningún orden en concreto):
- Tiempo de enfriamiento
- Valor de transición
- Presión final
- Capacidad
- Potencia de refrigeración y potencia de refrigeración neta
- Tiempo de regeneración
- Rendimiento y caudal máximo pV
- Velocidad de bombeo
- Vida útil o duración
- Presión de arranque
Tiempo de enfriamiento
El tiempo de enfriamiento de las bombas criogénicas es el intervalo de tiempo desde la puesta en marcha hasta que se activa el efecto de bombeo. En el caso de las refrigeradoras, el tiempo de enfriamiento se indica como el tiempo que tarda la segunda etapa de la cabeza de enfriamiento en enfriar de 293 K a 20 K.
Valor de transición
El valor de transición es una cantidad característica de una bomba criogénica refrigeradora ya fría. Es relevante en aquellas situaciones en las que la bomba está conectada a una cámara de vacío mediante una válvula de alto vacío (HV) o ultra alto vacío (UHV). El valor de transición es la cantidad de gas con respecto a Tn = 293 K que la cámara de vacío puede contener como máximo de modo que la temperatura de los paneles criogénicos no supere los 20 K como consecuencia de la ráfaga de gas que se produce al abrir la válvula. El valor de transición se suele indicar como un valor pV en mbar · l.
El valor de transición y el volumen de la cámara V dan como resultado la presión de transición pc a la que debe evacuarse primero la cámara de vacío antes de abrir la válvula que conduce a la bomba criogénica. La siguiente información puede servir a modo de orientación:
(2.27)
V = volumen de la cámara de vacío (l);
Q2(20K) = capacidad de refrigeración neta en vatios, disponible en la segunda etapa de la cabeza de enfriamiento a 20 K.
Presión final
Para la criocondensación (véase el apartado anterior "La unión de los gases a superficies frías"), la presión final puede calcularse de la siguiente manera:
(2.28)
pS es la presión de vapor de saturación del gas o los gases que se van a bombear a la temperatura TK del panel criogénico y TG es la temperatura del gas (temperatura de la pared en las proximidades del panel criogénico).
Ejemplo: con ayuda de las curvas de presión de vapor de la Fig. 9.15 correspondientes al H2 y el N2, se obtienen las presiones definitivas que aparecen indicadas resumidamente en la Tabla 2.6 a TG = 300 K.
Fig. 9.15: Presión de vapor de saturación ps de varias sustancias relevantes para la tecnología criogénica en un rango de temperatura de T = 2-80 K.
En la tabla se observa que para el hidrógeno a temperaturas de T < 3 K a una temperatura del gas de TG = 300 K (esto es, cuando el panel criogénico está expuesto a la radiación térmica de la pared) pueden alcanzarse presiones finales suficientemente bajas. Debido a una serie de factores de interferencia como la desorción de la pared y las fugas, en la práctica no se alcanzan las presiones finales teóricas.
Tabla 2.6: Temperaturas máximas a una temperatura de la pared de 300 K
Capacidad C (mbar · l)
La capacidad de una bomba criogénica para un determinado gas es la cantidad de gas (valor de pV a Tn = 293 K) que los paneles criogénicos pueden unir antes de que la velocidad de bombeo para este tipo de gas G descienda por debajo del 50 % de su valor inicial.
La capacidad de los gases que se bombean mediante crioadsorción depende de la cantidad y las propiedades de la sustancia de sorción; depende de la presión y, por lo general, es de varios órdenes de magnitud inferior a la capacidad independiente de la presión de los gases bombeados mediante criocondensación.
Potencia de refrigeración Q . (W)
La potencia de refrigeración de una fuente de refrigeración a una temperatura T indica la cantidad de calor que puede extraer la fuente de refrigeración mientras sigue manteniendo esta temperatura. En el caso de los refrigeradores, se ha acordado indicar la potencia de refrigeración a 80 K para las cabezas de enfriamiento de una etapa y a 80 K para la primera etapa y 20 K para la segunda etapa en el caso de los de dos etapas cuyas dos etapas tengan carga térmica. Durante la medición de la potencia de refrigeración, los calefactores eléctricos generan la carga térmica. La potencia de refrigeración alcanza su valor máximo a temperatura ambiente y el mínimo (cero), a la temperatura final correspondiente.
Potencia de refrigeración neta Q . (W)
En las bombas criogénicas refrigeradoras, la potencia de refrigeración neta disponible a las temperaturas de funcionamiento habituales (T1 < 80 K, T2 < 20 K) define sustancialmente el caudal y el valor de transición. La potencia de refrigeración neta es, en función de la configuración de la bomba, mucho menor que la potencia de refrigeración de la cabeza de enfriamiento usado sin la bomba.
Caudal de pV
Véase la página sobre Tipos de circulación
Tiempo de regeneración
Como dispositivo de retención de gas, la bomba criogénica debe regenerarse después de un determinado periodo de uso. En la regeneración se eliminan gases condensados y adsorbidos procedentes de los paneles criogénicos por calentamiento. La regeneración puede ser total o parcial y difiere esencialmente en el modo de calentar estos paneles criogénicos.
En la regeneración total, se distingue entre lo siguiente:
- Calentamiento natural: después de apagar el compresor, los paneles criogénicos se calientan inicialmente de forma muy lenta por conducción térmica y, seguidamente, por los gases liberados.
- Método de gas de purga: la bomba criogénica se calienta mediante admisión de gas de purga a alta temperatura.
- Calentadores eléctricos: los paneles criogénicos de la bomba criogénica se calientan mediante calentadores en la primera y segunda etapa. Los gases liberados se descargan por medio de una válvula de sobrepresión (método de gas de purga) o mediante bombas auxiliares mecánicas. En función del tamaño de la bomba, será necesario esperar un tiempo de regeneración de varias horas.
Regeneración parcial
Dado que la limitación de la vida útil de una bomba criogénica depende en la mayoría de las aplicaciones del límite de capacidad de los gases nitrógeno, argón e hidrógeno bombeados por la segunda etapa, a menudo será necesario regenerar solo esta etapa. El deflector retiene el vapor de agua durante la regeneración parcial. Para ello, la temperatura de la primera etapa debe mantenerse por debajo de 140 K o, de lo contrario, la presión parcial del vapor de agua sería tan alta que las moléculas de agua contaminarían el adsorbente de la segunda etapa.
En 1992, Leybold fue el primer fabricante de bombas criogénicas en desarrollar un método que permitía una regeneración parcial de este tipo. Este proceso de regeneración rápida se controla mediante microprocesador y permite llevar a cabo una regeneración parcial de la bomba criogénica en cuestión de unos 40 minutos, a diferencia de las 6 horas necesarias para una regeneración total mediante el método de gas de purga. En la Fig. 2.70 se muestra una comparación entre los ciclos típicos de las regeneraciones total y parcial. El tiempo ahorrado por el sistema de regeneración rápida es obvio. En un entorno de producción con los procesos de sputtering habituales, cabrá preverse tener que llevar a cabo una regeneración total tras 24 regeneraciones parciales.
Fig. 2.70: Comparación entre la regeneración total (1) y la parcial (2)
Rendimiento y caudal máximo pV: (mbar l/s)
El rendimiento de una bomba criogénica para un determinado gas depende del caudal pV del gas G que pase por la abertura de admisión de la bomba:
QG = qpV,G; debe aplicarse la siguiente ecuación:
QG = pG · SG con
pG = presión de admisión,
SG = capacidad de bombeo del gas G
El caudal máximo pV al que se calientan los paneles criogénicos hasta una T ≈ 20 K para el funcionamiento continuado depende de la potencia de refrigeración neta de la bomba a dicha temperatura y del tipo de gas. En bombas criogénicas refrigeradoras y con gases condensables, pueden seguirse las siguientes indicaciones a modo orientativo:
Q.2 (20 K) es la potencia de refrigeración neta en vatios disponible en la segunda etapa de la cabeza de enfriamiento a 20 K. En caso de darse un funcionamiento intermitente, se permite un mayor caudal de pV (véase el valor de transición).
Velocidad de bombeo Ste
Las siguientes consideraciones se aplican a la velocidad de bombeo (teórica) de una bomba criogénica:
(2.29)
AK: tamaño de los paneles criogénicos
SA: velocidad de bombeo relativa al área superficial (velocidad de choque relativa al área según las ecuaciones 1.17 y 1.20, proporcional a la velocidad media de las moléculas de gas en la dirección del panel criogénico).
α: probabilidad de condensación (bombeo)
ptérmino: presión final (véase más arriba)
p: presión en la cámara de vacío
(1.17)
(1.20)
La ecuación (2.29) se aplica a un panel criogénico integrado en la cámara de vacío, cuya superficie es baja en comparación con la superficie de la cámara de vacío. A temperaturas lo suficientemente bajas, α = 1 para todos los gases. La ecuación (2.29) indica que para p >> ptérmino la expresión entre paréntesis se aproxima a 1, de modo que en el caso de saturación excesiva p >> ptérmino > ps de modo que:
(2.29a)
TG: temperatura del gas en K
M: masa molar
En la Tabla 2.7 se indica la velocidad de bombeo SA en l · s-1· cm-2 relacionada con el área de superficie de algunos gases a dos temperaturas de gas diferentes TG en un valor de K calculado según la Ecuación 2.29a. Los indicados en la tabla son valores límite. En la práctica, la condición de equilibrio casi sin alteraciones (paneles criogénicos pequeños en lugar de una pared de gran superficie) a menudo no se obtiene, ya que se necesita que los paneles criogénicos alcancen tiempos de bombeo breves y un valor adecuado de vacío final. También se producen desviaciones si los paneles están rodeados de un deflector refrigerado en el que la velocidad de las moléculas que penetren ya se haya reducido mediante refrigeración.
Tabla 2.7: Velocidades de bombeo relativas a la superficie para algunos gases
Vida útil o duración de la operación: tfu (s)
La duración del funcionamiento de la bomba criogénica para un gas determinado depende de la siguiente ecuación:
con
CG = capacidad de la bomba criogénica para el gas G
QG(t) = caudal de la bomba criogénica para el gas en el momento t
Si se conoce la media constante a lo largo del tiempo para el QG de caudal, se aplica lo siguiente:
(2.30)
Una vez que haya transcurrido el periodo de funcionamiento tfu,G, es necesario regenerar la bomba criogénica con relación al tipo de gas G.
Presión de arranque po
En esencia, es posible arrancar una bomba criogénica a la presión atmosférica. No obstante, no es recomendable hacerlo por diversos motivos. Mientras que el camino libre medio de las moléculas de gas sea más corto que las dimensiones de la cámara de vacío (p > 10-3 mbar), la conductividad térmica del gas será tan elevada que se transferirá una cantidad de calor inadmisible a los paneles criogénicos. Asimismo, se formaría una capa de condensado relativamente espesa sobre el panel criogénico durante la puesta en marcha, que reduciría considerablemente la capacidad de la bomba criogénica para la fase de funcionamiento real. El gas (habitualmente aire) se uniría al adsorbente, ya que la temperatura de unión de este sería inferior que la de las superficies de condensación. De esta forma, se reduciría aún más la capacidad ya limitada para el hidrógeno. Se recomienda arrancar las bombas criogénicas de un rango de alto o ultra alto vacío con ayuda de una bomba auxiliar a presiones de p < 5 · 10-2 mbar. En cuanto se haya alcanzado la presión de arranque es posible apagar la bomba auxiliar.
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Referencias
- Símbolos de vacío
- Glosario de unidades
- Referencias y fuentes
Símbolos de vacío
Un glosario de símbolos comúnmente utilizados en diagramas de tecnología de vacío como representación visual de tipos y piezas de bombas en sistemas de bombeo
Glosario de unidades
Una descripción general de las unidades de medida utilizadas en la tecnología de vacío y el significado de los símbolos, así como los equivalentes actuales de las unidades históricas
Referencias y fuentes
Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío
