Cómo elegir el tamaño de la bomba: evacuación de un sistema de vacío
En lo que respecta al tamaño de un sistema de vacío, surgen dos preguntas básicas:
- ¿Qué velocidad de bombeo efectiva debe mantener la disposición de bombeo para reducir la presión en un depósito determinado a un valor deseado durante un lapso concreto?
- ¿Qué velocidad de bombeo efectiva debe alcanzar la disposición de la bomba durante un proceso de vacío para que los gases y vapores liberados en el recipiente puedan ser rápidamente bombeados mientras se mantiene y no se supera una presión determinada (la presión de funcionamiento) en el recipiente?
Durante el procedimiento de bombeo de ciertos procesos (p. ej., secado y calentamiento), se producen vapores que no estaban presentes originariamente en la cámara de vacío, de modo que surge una tercera pregunta:
- ¿Qué velocidad efectiva de bombeo debe alcanzar la disposición de la bomba para que el proceso pueda completarse en un tiempo determinado?
La velocidad de bombeo efectiva de una disposición de bombeo se entiende como la velocidad de bombeo real de todo el mecanismo que se mantiene de forma continuada en el depósito. La velocidad de bombeo nominal de la bomba puede calcularse a partir de la velocidad de bombeo efectiva si se conoce la resistencia a la circulación (esto es, las conductancias) de los deflectores, las trampas de frío, los filtros, las válvulas y las conducciones situadas entre la bomba y el depósito (véase la página sobre conductancia). Para el cálculo de la velocidad nominal de bombeo necesaria se presupone asimismo que el sistema de vacío presenta fugas; por consiguiente, el índice de fugas debe ser lo suficientemente bajo como para que los gases que circulan desde el exterior se eliminen inmediatamente mediante la disposición de bombeo conectada sin modificación de la presión del depósito (para obtener más información al respecto, véase el apartado Detección de fugas). Las cuestiones 1, 2 y 3 anteriores son características de los tres ejercicios más idiosincrásicamente esenciales de la tecnología del vacío:
- Evacuación del depósito hasta alcanzar una presión especificada.
- Bombeo de cantidades de gas y vapor que evolucionan constantemente a una presión determinada.
- Bombeo de los gases y vapores generados durante un proceso por variación de la temperatura y la presión.
La evacuación inicial de una cámara de vacío se ve influida en los rangos de vacío medio, alto y ultra alto por las cantidades de gas que se encuentran en evolución constante. El motivo es que, en dichas regiones, el escape de gases y vapores de las paredes del depósito es tan elevado que basta por sí mismo para calcular las dimensiones y la disposición del sistema de vacío.
Evacuación de una cámara de vacío (sin fuentes adicionales de gas o vapor)
Como consecuencia de los factores indicados anteriormente, la evaluación del tiempo de bombeo para la evacuación de un recipiente debe diferir en esencia entre la región de vacío primario y los rangos medio y alto.
Evacuación de una cámara en el rango de vacío primario
En este caso, la velocidad de bombeo efectiva necesaria Sef de un conjunto de bombeo de vacío depende exclusivamente de la presión necesaria p, el volumen V del recipiente y el tiempo de bombeo t.
Con una velocidad de bombeo constante Sef y suponiendo que la presión final ptérmino alcanzable con la disposición de bombeo sea tal como para que pfinal << p, la reducción de la presión con respecto al tiempo p(t) en una cámara se obtiene de la siguiente ecuación:
(2.32)
A partir de 1013 mbar y con un tiempo t = 0, la velocidad de bombeo efectiva se calcula en función del tiempo de bombeo t a partir de la Ecuación (2.32) de la siguiente manera:
(2.33a)
(2.33b)
(2.34)
Introducción al factor adimensional
(2.34a)
En la Ecuación (2.34), la relación entre la velocidad efectiva de bombeo Sef y el tiempo de bombeo t viene dada por
(2.35)
La relación V/Sef se suele designar como una constante de tiempo τ. Por tanto, el tiempo de bombeo de una cámara de vacío desde el valor de presión atmosférica hasta una presión p viene dado por lo siguiente:
(2.36)
La dependencia del factor de la presión deseada se indica en la Fig. 2.75. Debe tenerse en cuenta que la velocidad de bombeo de las bombas de paletas rotativas y de pistón rotativo de una etapa disminuye por debajo de 10 mbar con gas ballast y por debajo de 1 mbar sin este gas ballast. Este comportamiento fundamental presenta diferencias en bombas de diversos tamaños y tipos, pero no debe ignorarse a la hora de calcular la dependencia del tiempo de bombeo sobre el tamaño de la correspondiente bomba. Cabe señalar que solo deben aplicarse las Ecuaciones (2.32) a (2.36) y la Fig. 2.75 si la presión final alcanzada con la bomba empleada es de varios órdenes de magnitud menos que el valor de presión deseado.
Fig. 2.75: Dependencia del factor adimensional s para el cálculo del tiempo de bombeo t según la Ecuación 2.36. La línea discontinua es de aplicación para aquellas bombas de una etapa cuya velocidad de bombeo se reduzca por debajo de los 10 mbar.
Ejemplo: se va a bombear una cámara de vacío con un volumen de 500 l hasta un valor de 1 mbar en un plazo de 10 minutos. ¿Qué velocidad de bombeo efectiva es necesaria?
500 l = 0,5 m3; 10 min = 1/6 h
De la Ecuación (2.34) se deriva lo siguiente:
En el ejemplo anterior, se lee el valor de 7 de la línea recta de la Fig. 2.75. Sin embargo, en la línea discontinua se observa un valor de 8. Conforme a la Ecuación (2.35) se obtiene lo siguiente:
teniendo en cuenta el hecho de que la velocidad de bombeo se reduce por debajo de los 10 mbar. La velocidad de bombeo efectiva necesaria asciende así a unos 24 m3/h.
Evacuación de una cámara en el rango de alto vacío
Es notablemente más difícil indicar fórmulas generales que puedan usarse en el rango de alto vacío. Dado que el tiempo de bombeo para alcanzar una presión de vacío alta determinada depende principalmente de la evolución del gas en las superficies internas de la cámara, el estado y el pretratamiento de estas superficies son cuestiones de gran importancia en la tecnología de vacío. Bajo ninguna circunstancia el material utilizado debe presentar zonas porosas ni, en particular en lo que respecta al secado, presentar oquedades; las superficies internas deben ser lo más lisas posible (superficie verdadera = superficie geométrica) y limpiarse (y desengrasarse) a fondo. La evolución del gas varía enormemente en función del material elegido y el estado de la superficie. En la Tabla X se han recogido datos útiles al respecto.
Tabla X: Velocidad de desgasificación de materiales en mbar · l · s–1 · cm–2
La evolución del gas se puede calcular experimentalmente solo en función de cada caso y por medio del método de aumento de presión: el sistema se evacúa todo lo posible y, en última instancia, la bomba y la cámara se aíslan mediante una válvula. Seguidamente, se mide el tiempo que tarda la presión de la cámara (de un volumen V) en aumentar una determinada cantidad, p. ej., una potencia de 10. La cantidad de gas Q que se produce por unidad de tiempo se calcula a partir de lo siguiente:
(2.37)
(ΔP = aumento de presión observado en la medición)
La cantidad de gas Q consiste en la suma de toda la evolución del gas y todas las fugas posibles. Mediante el método siguiente es posible determinar si el motivo es la evolución del gas o se trata de fugas:
La cantidad de gas que se produce de la evolución de este debe reducirse con el paso del tiempo, mientras que la cantidad de gas que entra en el sistema a causa de la existencia de fugas permanece constante. Experimentalmente, esta distinción no siempre resulta sencilla de hacer, ya que a menudo se tarda bastante (con una evolución pura del gas) antes de que la curva de presión/tiempo obtenida en la medición se acerque a un valor final constante (o casi constante); por consiguiente, el principio de esta curva sigue una línea recta durante periodos prolongados, de modo que simula ser fugas (véase el apartado sobre Detección de fugas).
Si se conocen la evolución del gas Q y la presión necesaria ptérmino, resulta sencillo calcular la velocidad de bombeo efectiva necesaria correspondiente:
(2.38)
Ejemplo: una cámara de vacío de 500 l puede tener una superficie total (incluidos todos los sistemas) de unos 5 m2. Se presupone una evolución constante del gas de 2 · 10-4 mbar · l/s por m2 de superficie. Este es el valor esperable en el caso de haber, por ejemplo, válvulas o conexiones directas rotativas conectadas a la cámara de vacío. Para mantener una presión de 1 · 10-5 mbar en el sistema, la bomba debe tener la siguiente velocidad de bombeo:
Se requiere una velocidad de bombeo de 100 l/s solo para eliminar por bombeo de forma continua la cantidad de gas que escapa por fugas o evoluciona procedente de las paredes de la cámara. En este caso, el proceso de evacuación es similar al de los ejemplos indicados en el apartado anterior sobre el vacío primario. No obstante, en el caso de las bombas de difusión, el proceso de bombeo no empieza al valor de la presión atmosférica, sino a uno de vacío previo pV. De esta forma, la Ecuación (2.34) se transforma de la siguiente manera:
A una contrapresión de pV= 2 · 10-3 mbar, en nuestro ejemplo, la "compresión" K es la siguiente:
Para alcanzar una presión final de 1 · 10-5 mbar en el lapso de los 5 minutos posteriores a haber empezado a bombear con una bomba de difusión, se necesita una velocidad de bombeo efectiva de
Este valor es muy inferior comparado al de la velocidad de bombeo efectiva necesaria para mantener la presión final. El tiempo de bombeo y el vacío final en los rangos de alto y ultra alto vacío dependen principalmente de la velocidad de la evolución del gas y los correspondientes índices de fugas.
Evacuación de una cámara en el rango de vacío medio
En la región de vacío primario, el volumen del depósito es decisivo para el tiempo que tarda el proceso de bombeo. Sin embargo, en los rangos de alto y ultra alto vacío, la evolución del gas desde las paredes desempeña un papel importante. En la región de vacío medio, el proceso de bombeo se ve influenciado por estas dos cantidades. Asimismo, en la región de vacío medio y en particular con bombas rotativas, la presión máxima alcanzable deja de ser cuestión insignificante. Si se sabe que la cantidad de gas que entra en la cámara se encuentra a una velocidad Q (en milibares litro por segundo) a partir de la evolución del gas de las paredes y las fugas, se convierte en la Ecuación diferencial (2.32) para el proceso de bombeo
(2.39)
La integración de esta ecuación lleva a
(2.40)
donde
p0 es la presión existente al principio del proceso de bombeo
p es la presión deseada
A diferencia de la 2.33b, esta ecuación no permite obtener una solución definida para Sef. Por consiguiente, no es posible calcular la velocidad de bombeo efectiva de la evolución de un gas conocido a partir de la curva de presión/tiempo sin disponer de más información.
Por lo tanto, en la práctica cabrá usar el siguiente método para determinar cuál sería una bomba con una velocidad de bombeo lo suficientemente elevada:
a) La velocidad de bombeo se calcula a partir de la ecuación 2.34 como resultado del volumen de la cámara sin evolución del gas y del tiempo de bombeo deseado.
b) Se obtiene el cociente de la velocidad de evolución del gas y esta velocidad de bombeo. Este cociente debe ser menor que la presión necesaria; por motivos de seguridad, debe ser aproximadamente diez veces menor. Si no se cumple esta condición, se debe elegir una bomba con una velocidad de bombeo correspondiente más alta.
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
