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¿Qué es un gas ballast y cómo funciona?

El equipo de gas ballast desarrollado en 1935 por Wolfgang Gaede impide la condensación del vapor de la bomba. Este mecanismo de gas ballast usado en las bombas de paletas rotativas, émbolo rotativo y trocoidal no solo permite bombear gases permanentes, sino también cantidades más elevadas de gases condensables.

Las ventajas que ofrece el gas ballast

El equipo de gas ballast (véase la Fig. 2.13) evita la condensación de vapores en la cámara de bombeo de la bomba. A la hora de bombear vapores, es posible comprimirlos únicamente hasta su valor de presión de vapor de saturación a la temperatura de la bomba. Si va a bombearse vapor de agua, por ejemplo, a una temperatura de la bomba de 70 °C (158 °F), el vapor solo puede comprimirse hasta los 312 mbar (esto es, la presión de vapor de saturación del agua a 70°C [158 °F]) (véase la Tabla XIII). Si va a comprimirse el vapor aún más, el vapor de agua se condensa sin aumentar la presión. No se genera sobrepresión alguna en la bomba y tampoco se abre la válvula de escape. En vez de ello, el vapor de agua se mantiene en forma de agua y se emulsiona con el aceite de la bomba. Esto inhibe con rapidez las propiedades lubricantes del aceite y es posible incluso que la bomba se atasque en caso de que haya entrado demasiada agua. 

Principio de funcionamiento

Antes de que comience el proceso de compresión real (véase la Fig. 2.13), se introduce una cantidad de aire definida exactamente (el "gas ballast") en la cámara de bombeo de la bomba. La cantidad es tal que la relación de compresión de la bomba se reduce a 10:1 como máximo. Seguidamente, los vapores admitidos por la bomba pueden ser comprimidos junto con el gas ballast, antes de alcanzar su punto de condensación y ser expulsados de la bomba. No obstante, la presión parcial de los vapores admitidos no puede superar un determinado valor. Debe ser tan bajo que, en el caso de una compresión por un factor de 10, los vapores no puedan condensarse a la temperatura de funcionamiento de la bomba. Al bombear vapor de agua, este valor crítico se denomina "tolerancia al vapor de agua".

En la Fig. 2.14 aparece esquemáticamente el proceso de bombeo tanto con gas ballast como sin él, en una bomba de paletas rotativas durante el bombeo de vapores condensables. 

Se deben cumplir dos requisitos al bombear vapores: 
1) la bomba debe estar a la temperatura de funcionamiento. 
2) la válvula de gas ballast debe estar abierta. 
(Con la válvula de gas ballast abierta, la temperatura de la bomba aumenta unos 10 °C [50 °F]. Antes de bombear vapores, la bomba debe permanecer en marcha durante media hora con la válvula de gas ballast abierta). 

Tabla XIII: Presión de saturación p5 y densidad del vapor eD del agua en un rango de temperatura de −100 °C (−148 °F) a +140 °C (+284 °F)

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Fig. 2.13: Proceso de trabajo dentro de una bomba de paletas rotativas con gas ballast

  1. 1-2 Aspiración
  2. 2-5 Compresión
  3. 3-4 Admisión del gas ballast
  4. 5-6 Descarga 
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Fig. 2.14: Diagrama del proceso de bombeo en una bomba de paletas rotativas con y sin dispositivo de gas ballast al bombear sustancias condensables.

a) Sin gas ballast

1) La bomba está conectada al depósito, que ya está casi vacío de aire (70 mbar), por lo que debe transportar principalmente partículas de vapor
2) La cámara de la bomba está separada del depósito. Comienza la compresión
3) El contenido de la cámara de la bomba ya está comprimido hasta el momento en que el vapor se condensa para formar gotas. Aún no se ha alcanzado la sobrepresión
4) Solo ahora el aire residual produce la sobrepresión necesaria y abre la válvula de descarga, pero el vapor ya se ha condensado y las gotas se precipitan en la bomba.

b) Con gas ballast
1) La bomba está conectada al depósito, que ya está casi vacío de aire (70 mbar), por lo que debe transportar principalmente partículas de vapor
2) La cámara de la bomba está separada del depósito. Ahora se abre la válvula de gas ballast mediante la que se llena la cámara de bombeo de aire exterior adicional. Es este aire adicional el que se denomina "gas ballast"
3) La válvula de descarga se abre y las partículas de vapor y gas se expulsan. La sobrepresión necesaria para que esto ocurra se alcanza muy pronto, como consecuencia del aire de gas ballast suplementario, ya que, al principio, no puede producirse condensación en todo el proceso de bombeo
4) La bomba descarga más aire y vapor

Bombeo simultáneo de gases y vapores

Al bombear simultáneamente gases permanentes y vapores condensables desde un sistema de vacío, la cantidad de gas permanente suele ser suficiente para evitar la condensación de los vapores en el interior de la bomba. La cantidad de vapor que se puede bombear sin condensación en la bomba se puede calcular de la siguiente manera: 

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(2.1)

Donde pvapor = es la presión parcial de vapor en la admisión de la bomba.
pperm= es la presión total de todos los gases permanentes bombeados en la admisión de la bomba. 
pvapor,sat= es la presión de saturación del vapor bombeado, en función de la temperatura (véase la Fig. 2.15). 
psum = pescape + Δpválvula + Δpescape del filtro 
Δpválvula = es la diferencia de presión en toda la válvula de escape que, en función del tipo de bomba y las condiciones de funcionamiento correspondientes, varía entre los 0,2 y los 0,4 bar.
Δpescape del filtro = es la diferencia de presión en todo el filtro de escape, de 0-0,5 bar.  

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Fig. 2.15: Presiones de vapor de saturación: tabla con temperaturas

Ejemplo

Con una bomba de paletas rotativas con un filtro de neblina de aceite externo conectado en serie, se bombea una mezcla de vapor de agua y aire. Se usan los siguientes valores para aplicar la Ecuación (2.1): 

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La presión del vapor de agua de la mezcla de aire y vapor de agua no debe superar el 23 % de la presión total de la mezcla. 

Tolerancia al vapor de agua

Un caso especial en las generalidades dispuestas anteriormente sobre la tolerancia al vapor es el bombeo del vapor de agua. Según la PNEUROP (European Association of Manufacturers of Compressors, Vacuum Pumps, Pneumatic Tools and Air & Condensate Treatment Equipment, Asociación Europea de Fabricantes de Compresores, Bombas de Vacío, Herramientas Neumáticas y Equipos de Tratamiento de Aire y Condensado), la definición de la tolerancia al vapor de agua es la siguiente: 

"La tolerancia del vapor de agua es la presión más alta a la que una bomba de vacío, en condiciones de temperatura ambiente y presión normales (20 °C [68 °F], 1013 mbar), puede recibir y transportar de forma continua vapor de agua puro. Se indica en mbar". Se designa con la denominación "PW,O".

Aplicar la Ecuación (2.3) a este caso especial implica lo siguiente: 

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(2.4)

Si para el gas ballast se emplea aire atmosférico al 50 % de humedad, pvapor, g.b. será de 13 mbar; con un valor de B/S = 0,10 (una cifra habitual en la práctica) y psum(presión de escape total) = 1330 mbar, la tolerancia al vapor de agua pW,0 como función de la temperatura de la bomba se representa mediante la curva más baja del diagrama de la Fig. 2.16. Las otras curvas corresponden al bombeo de mezclas de vapor de agua y aire, esto es, pperm= pairO), lo que se indica mediante el símbolo pL en milibares. En estos casos, se puede bombear una mayor cantidad de presión parcial de vapor de agua p w, como se muestra en el diagrama. Por tanto, las cifras de pW,0 que figuran en el catálogo hacen referencia al límite inferior y son seguras. 

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Fig. 2.16: Presión parcial pw del vapor de agua que se puede bombear con la válvula de gas ballast abierta sin condensación en la bomba, como función de la temperatura de la bomba para varias presiones parciales pL de aire. La curva más baja corresponde a la tolerancia al vapor de agua pw,o de la bomba.

Según la Ecuación 2.4, un aumento del gas ballast B daría lugar a un aumento de la tolerancia al vapor de agua pW,0. En la práctica, un aumento de B, en particular en el caso de las bombas de gas ballast de una etapa, está restringido por el hecho de que el vacío final alcanzable por una bomba de gas ballast accionada con la válvula de gas ballast abierta empeora a medida que aumenta el gas ballast B. Hay otras generalidades similares que cabe aplicar asimismo a la Ecuación 2.3 relativas a la tolerancia al vapor pvapor

Al principio de un proceso de bombeo, la bomba de gas ballast siempre debe funcionar con la válvula de gas ballast abierta. En casi todos los casos, habrá una fina capa de agua en la pared del depósito, que no se evaporará sino gradualmente. Para alcanzar presiones finales bajas, la válvula de gas ballast solo debe cerrarse después de que el vapor haya sido bombeado. Las bombas Leybold ofrecen generalmente una tolerancia al vapor de agua de entre 33 y 66 mbar. Las bombas de dos etapas pueden ofrecer otros valores de tolerancia al vapor de agua en función de la relación de compresión entre sus etapas, siempre que tengan una cámara de bombeo de diferente envergadura. 

Uso de otros gases a modo gas ballast

En general el gas ballast que se emplea es el aire atmosférico. En determinados casos especiales, p. ej., de bombearse gases explosivos o tóxicos, es posible usar otros gases permanentes, como gases nobles o nitrógeno.

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Referencias

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

 

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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

 

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Referencias y fuentes

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