¿Cómo funciona una bomba de paletas rotativas?
Principios de funcionamiento de las bombas rotativas selladas con aceite
Las bombas de vacío de desplazamiento son bombas de vacío en las que las que el gas que vaya a bombearse se aspira con ayuda de pistones, rotores, paletas y válvulas u otros mecanismos similares; puede que se comprima y posteriormente se descargue. El proceso de bombeo está afectado por el movimiento rotativo del pistón interno de la bomba. Debe diferenciarse entre las bombas de desplazamiento de compresión con aceite y secas. Usar aceite a modo de elemento de sellado permite, en una sola etapa, alcanzar relaciones de compresión elevadas de hasta aproximadamente 105. Sin aceite, la "tendencia a sufrir fugas internas" es notablemente superior y la relación de compresión alcanzable es, como corresponde, inferior (de aproximadamente 10).
Como se observa en la Tabla de clasificación 2.1, dentro de las bombas de desplazamiento selladas con aceite se encuentran las de paletas rotativas y de émbolo rotativo con diseño de una y dos etapas, además de las bombas trocoidales de una etapa, que hoy en día solo tienen valor histórico. Todas estas bombas incorporan un mecanismo de gas ballast descrito por primera vez en detalle por Gaede en 1935. Cumpliendo los pertinentes límites de diseño, el mecanismo de gas ballast permite bombear vapores (vapor de agua en particular) sin condensación de los vapores presentes en la bomba.
Tabla 2.1: Clasificación de las bombas de vacío
Bombas de paletas rotativas (TRIVAC B, TRIVAC E, SOGEVAC)
Las bombas de paletas rotativas (véase la Fig. 2.6) constan de una carcasa cilíndrica (anillo de bombeo) (1) en la que un rotor ranurado con suspensión excéntrica (2) gira en el sentido de la flecha. El rotor incorpora paletas (16) que se mueven hacia afuera habitualmente por acción de la fuerza centrífuga, pero también por muelles, que provocan que se deslicen por el interior de la carcasa. Estas paletas empujan el gas que entra por la admisión (4), que acaba por ser expulsado de la bomba por medio de la válvula de escape sellada con aceite (12).
Fig. 2.6: Sección transversal de una bomba de paletas rotativas de una etapa (TRIVAC B)
- Puerto de admisión
- Trampa de suciedad
- Válvula antirretorno
- Conducto de admisión
- Paleta
- Cámara de bombeo
- Rotor
- Orificio, conexión para gas ballast inerte
- Conducto de escape
- Válvula de escape
- Muelle
- Demistor
- Orificio; conexión para el filtro de aceite
Las unidades de la gama TRIVAC B (Fig. 2.6) solo cuentan con dos paletas asimétricas en 180°. Las paletas se mueven hacia afuera por acción de las fuerzas centrífugas, sin uso de muelles. A temperaturas ambiente bajas, para esta tarea posiblemente se hace necesario usar un aceite menos espeso. Las bombas incorporan una bomba de aceite con engranajes para lubricar por presión. La serie TRIVAC B incorpora una válvula antirretorno de especial fiabilidad, además de tener los puertos de admisión y escape dispuestos en horizontal o vertical. La mirilla de nivel de aceite y el actuador de gas ballast se encuentran en el mismo lado de la caja de aceite (en un diseño sencillo de usar). Junto con el sistema TRIVAC BCS, puede equiparse con un completo abanico de accesorios, diseñados principalmente para aplicaciones con semiconductores. El depósito de aceite de la bomba de paletas rotativas (y también el de las bombas de desplazamiento selladas con aceite) sirve para lubricar y sellar, además de para rellenar espacios muertos y ranuras. Elimina el calor de la compresión del gas, p. ej., a modo de refrigeración. El aceite sirve de elemento de sellado entre el rotor y el anillo de la bomba. Estos componentes se encuentran en "cuasicontacto" en línea recta (la línea de la camisa de cilindro). Para expandir el área de la superficie sellada con aceite, hay lo que se denomina "conducto de sellado" integrado en el anillo de bombeo (véase la Fig. 2.4), que incrementa la hermeticidad y permite aumentar la relación de compresión o disminuir la presión final.
Vea el vídeo que aparece a continuación, con una animación del bombeo que se produce en una bomba de paletas rotativas TRIVAC B
Leybold TRIVAC B - Function principles
Rangos de presión de las bombas de paletas rotativas
Leybold fabrica diferentes gamas de bombas de paletas rotativas adaptadas especialmente para diferentes aplicaciones, como altas presiones de admisión, bajas presiones finales y aplicaciones en el sector de los semiconductores. En la Tabla 2.2 se presenta un resumen de las características más importantes de estos rangos. Las bombas de paletas rotativas TRIVAC se fabrican en forma de bombas de dos etapas (TRIVAC D) (véase la Fig. 2.7). Con las bombas selladas con aceite de dos etapas es posible lograr presiones de funcionamiento y finales más bajas que con las correspondientes bombas de una etapa. El motivo es que en las bombas de una etapa el aceite se encuentra en contacto inevitable con la atmósfera exterior, donde se recoge gas que escapa parcialmente hasta el lado de vacío, con lo que se restringe la presión final que puede alcanzarse. En las bombas de desplazamiento de dos etapas selladas con aceite que fabrica Leybold, se suministra aceite ya desgasificado a la etapa situada en el lateral de la bomba (la etapa 1 de la Fig. 2.7): la presión final se encuentra casi en el rango del alto vacío y las presiones de funcionamiento más bajas, en la región situada entre los vacíos medio y alto vacío. Nota: Si se utiliza la denominada "etapa de alto vacío" (esto es, la etapa 1) con muy poco aceite o sin ninguno (a pesar de lo reducido de la presión final), en la práctica conlleva dificultades notables y contribuye significativamente a un funcionamiento incorrecto de la bomba.
Fig. 2.4: Disposición del conducto de sellado en bombas de paletas rotativas, también conocido como "junta doble". Separación mínima y constante a con respecto a todo el conducto de sellado b
Fig. 2.7: Sección transversal esquematizada de una bomba de paletas rotativas de dos etapas
I Etapa de alto vacío
II Segunda etapa de vacío previo
a: tope de la válvula
b: muelle de ballesta de la válvula
Tabla 2.2: Rangos de las bombas de vacío rotativas
Bombas de émbolo rotativo (bombas E)
En la Fig. 2.9 se muestra la vista seccional de una bomba de émbolo rotativo de tipo monobloque. En ella hay un pistón (2) que se desplaza a lo largo de la pared de la cámara movido por una excéntrica (3) que gira en el sentido de la flecha. El gas que vaya a bombearse circula hacia el interior de la bomba por el puerto de admisión (11), pasa por el canal de admisión de la válvula de guía (12) y se introduce en la cámara de bombeo (14). La válvula de guía conforma una unidad con el pistón y las guías de ida y vuelta entre la guía de la válvula girable situada en la carcasa (barra abisagrada 13). El gas introducido en la bomba acaba por entrar en la cámara de compresión (4). Durante su giro, el pistón comprime esta cantidad de gas hasta que se expulsa por la válvula sellada con aceite (5). Como ocurre con las bombas de paletas rotativas, el depósito de aceite cumple funciones de lubricación, sellado, relleno de espacios muertos y refrigeración. Puesto que la cámara de bombeo queda dividida en dos espacios por el pistón, en cada turno se efectúa un ciclo de funcionamiento (véase la Fig. 2.10). Las bombas de émbolo rotativo se fabrican en diseños de una y dos etapas. En muchos procesos de vacío, combinar una bomba de lóbulos con una bomba de émbolo rotativo de una etapa puede ofrecer más ventajas que las de una bomba de émbolo rotativo de dos etapas como único dispositivo. Si esta combinación o una bomba de dos etapas no resultasen plausibles, se recomienda usar una bomba de lóbulos junto con una bomba de dos etapas. No obstante, no es posible hacerlo en combinaciones de bombas de paletas rotativas y bombas de lóbulos.
Fig. 2.9: Sección transversal de una bomba de émbolo rotativo de una etapa
- Carcasa
- Pistón cilíndrico
- Excéntrica
- Cámara de compresión
- Válvula de presión sellada con aceite
- Mirilla de nivel de aceite
- Válvula de gas ballast
- Potenciómetro de escape
- Válvula de gas ballast
- Trampa de suciedad
- Puerto de admisión
- Válvula de corredera
- Barra abisagrada
- Cámara de bombeo (entra aire)
Fig. 2.10: Ciclo de funcionamiento de una bomba de émbolo rotativo
- Punto muerto superior
- La ranura del canal de aspiración de la válvula de corredera se libera al principio de la fase de aspiración
- Punto muerto inferior: la ranura del canal de aspiración está bastante libre y el gas bombeado (indicado por la flecha) entra libremente en la cámara de bombeo (se muestra a la sombra)
- La ranura del canal de aspiración se cierra de nuevo por acción de la barra articulada giratoria (fin de la fase de aspiración)
- Punto muerto superior: separación máxima entre el pistón en giro y el estator
- Poco antes de que empiece la fase de compresión, la superficie delantera del émbolo en su giro abre la abertura de gas ballast (principio de la admisión de gas ballast)
- La abertura de gas ballast está bastante libre
- Fin de la admisión de gas ballast
- Fin de la fase de bombeo
Potencia del motor de las bombas de paletas rotativas y de émbolo rotativo
Los motores que incorporan de serie las bombas de paletas rotativas y émbolo rotativo suministran la suficiente potencia a temperaturas ambiente de 12 °C (53,6 °F) y de usar nuestros aceites especiales para satisfacer los más exigentes requisitos energéticos (a aproximadamente 400 mbar). En el actual rango de funcionamiento de la bomba, el sistema de accionamiento de la bomba calentada solo necesita suministrar aproximadamente una tercera parte de la potencia instalada del motor (véase la Fig. 2.11).
Fig. 2.11: Potencia del motor de una bomba de émbolo rotativo (de 60 m3/h de velocidad de bombeo) como función de la presión de admisión y la temperatura de funcionamiento. Las curvas de las bombas de gas ballast de otras envergaduras son similares.
- Curva de temperatura de funcionamiento 1 - 32 °C (89 °F)
- Curva de temperatura de funcionamiento 2 - 40 °C (104 °F)
- Curva de temperatura de funcionamiento 3 - 60 °C (140 °F)
- Curva de temperatura de funcionamiento 4 - 90 °C (194 °F)
- Curva teórica de la compresión adiabática
- Curva teórica de la compresión isotérmica
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
