¿Cómo funcionan las bombas de vacío eyectoras de vapor?
Introducción a las bombas difusoras
Se distingue entre distintas bombas eyectoras, como las eyectoras de agua (17 mbar < p < 1013 mbar), las de vacío eyectoras de vapor (10-3 mbar < p < 10-1 mbar) y las bombas de difusión (p < 10-3 mbar). Las eyectoras de vacío se emplean principalmente para la generación de vacío medio. Las de difusión producen alto y ultra alto vacío. Estos dos tipos funcionan con un flujo rápido de líquido de bomba en estado líquido o de vapor (chorro de agua, vapor de agua, aceite o vapor de mercurio). El mecanismo de bombeo de todas las bombas difusoras es en esencia el mismo: las moléculas de gas bombeadas se extraen del depósito y acceden al flujo de líquido de la bomba, que se expande al atravesar una boquilla. Las moléculas del flujo de líquido de bomba se transfieren a las moléculas del gas en la dirección de circulación por medio de impulsos de impacto. De este modo, el gas que va a bombearse se conduce a un espacio de mayor presión.
Durante el funcionamiento de las bombas difusoras se producen presiones de vapor correspondientes, en función del tipo de líquido de la bomba y la temperatura, además del diseño de la boquilla. En el caso de las bombas de difusión de aceite, esta cifra puede alcanzar un valor de 1 mbar en la cámara de ebullición. La contrapresión de la bomba debe ser lo suficientemente baja como para permitir la circulación hacia el exterior del vapor. Para garantizar que se cumpla, estas bombas exigen del uso de las correspondientes bombas auxiliares o de respaldo, la mayoría de las cuales son de tipo mecánico. El chorro de vapor no puede entrar en el depósito, ya que se condensa en las paredes exteriores enfriadas de la bomba después de haber sido expulsado por la boquilla.
Principio de funcionamiento de las bombas difusoras
Wolfgang Gaede fue el primero en observar que los gases a una presión comparativamente baja pueden ser bombeados con la ayuda de un flujo de líquido de bomba a una presión más elevada y que, por consiguiente, las moléculas de gas de un rango de presión total baja se desplazan a una región con presión total elevada. Este hecho se observa desde el momento en el que el flujo de vapor está totalmente exento de gas al principio, por lo que los gases de una región de presión parcial de gas más elevada (el depósito) pueden transportarse por difusión a otra zona de presión parcial del gas más reducida (el flujo de vapor). Esta observación básica de Gaede sirvió a Langmuir (1915) para fabricar la primera bomba de difusión moderna. Estas bombas de difusión iniciales eran de mercurio, fabricadas en vidrio en un principio y posteriormente de metal. En los años 60 del siglo XX, el mercurio fue sustituido como medio casi en su totalidad por aceite. Para obtener la máxima velocidad del flujo de vapor posible, permitió que este flujo saliese de una boquilla a velocidad supersónica. El vapor de líquido de la bomba (que compone el chorro de vapor) se condensa en la pared enfriada de la carcasa de la bomba, mientras que el gas se vuelve a comprimir, habitualmente en una o varias etapas sucesivas antes de ser eliminado por la bomba auxiliar. Las relaciones de compresión que pueden obtenerse con estas bombas difusoras son muy elevadas. De haber una presión de 10-9 mbar en el puerto de admisión de la bomba difusora y disponer de una contrapresión de 10-2 mbar, el gas bombeado se comprime en un factor de 107.
Tipos de bombas difusoras
La presión final de las bombas difusoras está limitada por el valor de la presión parcial del líquido utilizado a la temperatura de funcionamiento de la bomba. En la práctica, este valor trata de mejorarse mediante la instalación de deflectores o trampas frías. Estos hacen las veces de una suerte de "condensadores" entre la bomba difusora y la cámara de vacío, de modo que la presión final que se puede obtener en la cámara de vacío quede limitada entonces únicamente por la presión parcial del líquido a la temperatura del difusor.
Los distintos tipos de bombas difusoras se distinguen principalmente por la densidad del líquido de la bomba en la salida de la boquilla superior orientada hacia el lado de alto vacío de la bomba:
- Baja densidad de vapor: bombas de difusión, incluidas las bombas de difusión de aceite y las bombas de difusión de mercurio
- Alta densidad de vapor: bombas eyectoras de vapor, incluidas las bombas de vapor de agua, las bombas eyectoras de vapor de aceite y las bombas eyectoras de vapor de mercurio
- Bombas combinadas de difusión de aceite/eyectoras de vapor
- Bombas eyectoras de agua
Principio de funcionamiento de las bombas eyectoras de vapor de aceite
La acción de bombeo de una etapa de eyección de vapor se explica con la ayuda de la Fig. 2.46. El líquido de la bomba entra a alta presión (p1) en la boquilla (1), con diseño de boquilla de Laval. Aquí se expande a la presión de admisión (p2). En esta expansión, el repentino cambio de energía va acompañado de un aumento de la velocidad. El chorro de vapor de líquido de la bomba (consiguientemente acelerado) circula por la zona del mezclador (3), que está conectada al depósito (4) que vaya a evacuarse. Hasta aquí se arrastran las moléculas de gas que salen del depósito, junto con el chorro de vapor. La mezcla de vapor de líquido de la bomba y gas entra entonces en la boquilla difusora, con diseño de boquilla de Venturi (2). En ella, la mezcla de vapor y gas se comprime hasta el valor de contrapresión (p3) con una desaceleración simultánea. Posteriormente, el vapor del líquido de la bomba se condensa en las paredes de la bomba, donde el gas arrastrado se elimina por acción de la bomba auxiliar.
Fig. 2.46: Funcionamiento de una bomba eyectora de vapor.
- Boquilla (de Laval)
- Boquilla difusora (de Venturi)
- Cámara de mezcla
- Conexión con la cámara de vacío
Las bombas eyectoras de vapor de aceite son idóneas para bombear grandes cantidades de gas o vapor en el rango de entre 1 y 10-3 mbar. La mayor densidad del flujo de vapor de las boquillas garantiza que la difusión del gas bombeado en el flujo de vapor se produzca con mucha mayor lentitud que en las bombas de difusión, por lo que el gas permea únicamente en las capas exteriores del flujo de vapor. Asimismo, la superficie por la que se produce la difusión es mucho menor como consecuencia del diseño especial de las boquillas. La velocidad de bombeo específica de las bombas eyectoras de vapor es, en consecuencia, menor que la de las de difusión. Dado que el gas bombeado en las inmediaciones del chorro sometido a la presión de admisión superior influye notablemente en el curso de las líneas de circulación, solo es posible obtener condiciones óptimas a determinadas presiones de admisión. Por tanto, la velocidad de bombeo no se mantiene constante a medida que nos aproximamos a presiones de admisión reducidas. Como consecuencia de la elevada velocidad y densidad del flujo de vapor, las bombas eyectoras de vapor de aceite son capaces de transportar gases soportando una contrapresión relativamente elevada. La contrapresión crítica es de apenas unos pocos milibares. Las bombas eyectoras de vapor de aceite usadas en la actual tecnología de vacío tienen por lo general una o varias etapas de difusión y diversas etapas de eyección consiguientes. El sistema de boquillas del booster está diseñado a partir de dos etapas de difusión y dos etapas de eyección dispuestas en cascada (véase la Fig. 2.47). Las etapas de difusión aportan la velocidad de bombeo elevada a entre 10-4 y 10-3 mbar (véase la Fig. 2.48), las etapas de eyección, el alto caudal de gas a altas presiones (véase la Fig. 2.49) y la elevada contrapresión crítica. Se insensibiliza contra el polvo y los vapores disueltos en el líquido de bomba mediante una espaciosa caldera y un depósito de líquido de bomba de gran tamaño. La caldera puede alojar grandes cantidades de impurezas sin detrimento de las características de bombeo.
Fig. 2.47: Diagrama de una bomba eyectora de aceite (booster).
Fig. 2.48: Velocidad de bombeo de varias bombas de vapor en función de la presión de admisión relativa a una velocidad de bombeo nominal de 1000 l/s. Fin del rango de trabajo de las bombas eyectoras de vapor de aceite (A) y las bombas de difusión (B)
Fig. 2.49: Velocidades de diversas bombas de vapor (obtenidas de la Fig. 2.48)
Bombas eyectoras de agua y eyectores de vapor
Dentro de las bombas difusoras no solo se encuentran bombas que emplean flujo de vapor a alta velocidad como líquido de bomba, sino también bombas eyectoras de líquido. Las bombas de vacío más sencillas y económicas son las eyectoras de agua. Al igual que ocurre en las de vapor (véanse las Figs. 2.46 o 2.51), el flujo de líquido sale primeramente por una boquilla para posteriormente, y como consecuencia de las turbulencias, se mezcla con el gas bombeado en la cámara de mezcla. Por último, se ralentiza el movimiento de la mezcla de agua y gas en un tubo de Venturi. La presión final total de un recipiente con bombeo mediante una bomba eyectora de agua se calcula en función de la presión de vapor del agua y, por ejemplo, a una temperatura del agua de 15 °C (59 F) es de 17 mbar.
Fig. 2.46: Funcionamiento de una bomba eyectora de vapor.
- Boquilla (de Laval)
- Boquilla difusora (de Venturi)
- Cámara de mezcla
- Conexión con la cámara de vacío
Fig. 2.51: Representación esquemática del funcionamiento de una bomba eyectora de vapor.
- Admisión de vapor
- Boquilla eyectora
- Difusor
- Zona de mezcla
- Conexión con la cámara de vacío
Básicamente, las bombas eyectoras de vapor producen mayores velocidades de bombeo y mejores presiones finales. En la Fig. 2.51 se muestra la sección a través de una etapa. Las marcas se corresponden con las que aparecen también en la Fig. 2.46. En la práctica, suele haber varias etapas de bombeo dispuestas en cascada. Para el trabajo de laboratorio, cabe usar combinaciones de bombas de dos etapas, consistentes en una etapa de eyección de vapor y otra de chorro de agua (de respaldo), ambas fabricadas en vidrio. La etapa de respaldo de chorro de agua permite trabajar sin necesidad de otras bombas auxiliares o de respaldo. Con la ayuda de un flujo de vapor a sobrepresión, es posible evacuar la cámara de vacío a una presión final de aproximadamente 3 mbar. El condensado del flujo se expulsa mediante el accesorio de purga. La etapa de chorro de agua de esta bomba se refrigera con agua a fin de incrementar su eficiencia. Las bombas eyectoras de vapor están especialmente indicadas para el trabajo de laboratorio, en especial en caso de ser necesario bombear vapores altamente agresivos. Las bombas eyectoras de vapor, que funcionan a presiones de unos pocos milibares, están especialmente recomendadas para el bombeo de útiles de destilación de laboratorio y otras plantas de similares características en caso de que no baste con la presión que genera una simple bomba eyectora de agua. En situaciones como esta, no resultaría barato usar bombas rotativas.
Las limitaciones de las bombas eyectoras de agua
A pesar del bajo coste de inversión que suponen, las bombas eyectoras de agua y los eyectores de vapor están sustituyéndose en los laboratorios cada vez más por bombas de diafragma, dados los problemas medioambientales que supone usar agua a modo de líquido de bomba. El disolvente que se mezcla en el agua solo puede eliminarse posteriormente mediante métodos de limpieza altamente complejos (destilación).
Fundamentos de la tecnología de vacío
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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
