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¿Cómo funciona una bomba de difusión?

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Las bombas de difusión constan básicamente (véase la Fig. 2.44) de un cuerpo de bomba (3) con una pared refrigerada (4) y un sistema de boquillas de tres, cuatro o cinco etapas (A-D). El aceite que actúa como líquido de la bomba se encuentra en la caldera (2) y se vaporiza desde allí mediante calentamiento eléctrico (1). El vapor del líquido de la bomba circula por los tubos elevadores y sale de las boquillas en forma de anillo (A-D) a velocidad supersónica. Seguidamente, el chorro conformado de esta manera se ensancha como un paraguas y llega a la pared, donde se produce la condensación del líquido de la bomba. El condensado líquido circula hacia abajo en forma de película fina por la pared y finalmente vuelve a la caldera. Como consecuencia de propagación del chorro, la densidad del vapor es relativamente baja. La difusión del aire o de cualquier gas (o vapores) que se bombee en el chorro es tan rápida que, a pesar de su alta velocidad, el chorro se satura prácticamente por completo con el medio bombeado. Por lo tanto, las bombas de difusión tienen una alta velocidad de bombeo en un amplio rango de presión. Esta velocidad es prácticamente constante en toda la región de trabajo de la bomba de difusión (≤ 10^-3 mbar) porque el aire a estas bajas presiones no puede influir en el chorro, por lo que su curso permanece inalterado. A presiones de admisión más elevadas, el curso del chorro se altera. En consecuencia, la velocidad de bombeo disminuye hasta que, a unos 10^-1 mbar, se vuelve extraordinariamente lenta.

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Fig. 2.44: Modo de funcionamiento de una bomba de difusión.

Calentador
Caldera
Cuerpo de la bomba
Serpentín refrigerador
Brida de alto vacío
Moléculas de gas
Chorro de vapor
Conexión de vacío auxiliar
Boquillas A, B, C y D

La presión de vacío previo también influye en el chorro de vapor y se vuelve perjudicial si su valor supera un determinado límite crítico. Este límite se denomina "contrapresión máxima o presión crítica". La capacidad de la bomba auxiliar elegida debe ser tal que la cantidad de gas descargado de la bomba de difusión se bombee sin generar una contrapresión que se aproxime al valor máximo o incluso llegue a superarlo.

La presión final alcanzable depende del diseño de la bomba, la presión de vapor del líquido de la bomba utilizado, la máxima condensación posible del líquido de la bomba y la limpieza del depósito. Además, el retroceso del líquido de la bomba hacia el depósito debe reducirse en la medida de lo posible mediante deflectores o trampas de frío adecuados.

Desgasificación del aceite de la bomba (evita la contaminación)

En las bombas de difusión de aceite es necesario desgasificar el líquido de la bomba antes de devolverlo a la caldera. Al calentar el aceite de la bomba, pueden surgir productos de descomposición en esta. La contaminación del depósito puede entrar en la bomba o incluso permanecer en ella. Estos componentes del líquido de la bomba pueden empeorar significativamente la presión final alcanzable por una bomba de difusión de no evitarse que accedan al depósito. Por tanto, es necesario eliminar tanto estas impurezas como los gases absorbidos del líquido de la bomba.

Esta es la función que cumple la sección de desgasificación, mediante la cual el aceite circulante pasa brevemente antes de volver a entrar en la caldera. En la sección de desgasificación las impurezas más volátiles escapan. La desgasificación se obtiene mediante una distribución controlada minuciosamente en la bomba. El líquido condensado de la bomba, que baja por las paredes refrigeradas en forma de película fina, se calienta hasta una temperatura aproximada de 130 °C (266 °F) antes de la etapa de difusión mínima, a fin de permitir que los componentes volátiles se evaporen y sean eliminados por la bomba auxiliar. Por tanto, el líquido de la bomba reevaporado consta solo de los componentes menos volátiles del aceite de la bomba.

Velocidad de bombeo de una bomba de difusión

La magnitud de la velocidad de bombeo específica S de una bomba de difusión (esto es, la velocidad de bombeo por unidad de área de la superficie de admisión real) depende de varios parámetros, incluidas la posición y las dimensiones de la etapa de alto vacío, la velocidad del vapor del líquido de la bomba y la velocidad molecular media c- del gas bombeado (véase la Ecuación 1.17). Con ayuda de la teoría cinética de los gases, la velocidad de bombeo específica máxima alcanzable a temperatura ambiente en el aire de bombeo se calcula a S_máx= 11,6 l · s^-1·cm^-2. Esta es la conductancia de flujo específica (molecular) del área de admisión de la bomba, similar a una abertura de la misma superficie (véase la Ecuación 1.30). Generalmente, las bombas de difusión tienen una velocidad de bombeo más alta para gases más ligeros que para los más pesados.

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(1.17)

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(1.30)

Para caracterizar la eficacia de una bomba de difusión, se establece el denominado "factor HO". Este es la relación entre la velocidad de bombeo específica obtenida realmente y la velocidad de bombeo específica máxima teórica posible. En el caso de las bombas de difusión de Leybold se obtienen valores óptimos (de 0,3 en las bombas más pequeñas y de hasta 0,55 en las de mayor tamaño).

Bombas de difusión de aceite fabricadas por Leybold

Las distintas bombas de difusión de aceite fabricadas por Leybold difieren en las siguientes características de diseño (véase la Fig. 2.45).

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Fig. 2.45: Diagrama del principio de diseño de una bomba de difusión.

Brida de conexión de vacío previo
Anillo de centrado con deflector de vacío previo
Conjunto de boquilla
Línea de refrigerante
Brida de conexión de alto vacío
Deflector de tapa fría
Carcasa de bomba
Caja de conexiones eléctricas
Recubrimiento de chapa metálica para calefacción

Serie DIP

En estas bombas se consigue un proceso de evaporación para el líquido de la bomba, que está prácticamente libre de ráfagas, gracias al diseño excepcional del calentador, lo que se traduce en una velocidad de bombeo muy constante a lo largo del tiempo. El calentador es de tipo interno y consta de cartuchos calefactores en los que se introducen tubos con paneles de conductividad térmica soldados. Los tubos de acero inoxidable están soldados horizontalmente en el cuerpo de la bomba y están situados por encima del nivel de aceite. Los paneles de conductividad térmica de cobre están sumergidos solo parcialmente en el líquido de la bomba. Estas partes de los paneles de conductividad térmica están tan calificadas que el líquido de la bomba puede evaporarse intensamente, pero sin provocar ningún retraso en la ebullición. Las partes de los paneles de conductividad térmica por encima del nivel de aceite suministran energía adicional al vapor. Gracias al diseño especial del sistema de calefacción, es posible cambiar los cartuchos calefactores también mientras la bomba sigue caliente.
Las bombas DIP incorporan un conjunto de surtidores con un diseño de boquilla de cuatro etapas y son aptas para bombear en un rango de presión de 10^-2 a 10^-8 mbar.

Serie DIJ

La serie DIJ cuenta con un diseño mejorado para aplicaciones en las que se necesita una alta velocidad de bombeo junto con altos caudales de gas en un rango de presión de 5 x 10^-1 a 10^-7 mbar. El diseño del calentador con paneles de conductividad se ha tomado de la serie DIP, pero se ha mejorado aún más. En lugar de un diseño tubular, en el que los cartuchos calefactores se introducen en tubos de acero inoxidable, se cuenta con un diseño con brida con bombas DIJ. Los cartuchos calefactores están montados firmemente y a prueba de fugas en el depósito del calefactor y están directamente sumergidos en el líquido de la bomba. Este diseño permite un calentamiento mejorado del líquido de la bomba, así como la simplificación de las labores de mantenimiento. El conjunto de surtidores incorpora una etapa de eyección adicional, que permite una mayor estabilidad de la presión de vacío previo y un mayor caudal del gas. Puesto que el principio de la bomba de difusión se basa en el aceite de calefacción, estas bombas solucionan un problema importante. Aproximadamente el 80 % de la energía traída a la bomba se expulsa al medio ambiente por emisión. La serie DIJ incorpora un revestimiento aislante que recubre el depósito del calentador, que lo aísla de los alrededores, acorta el tiempo de calentamiento y reduce el consumo energético.

Check out the video below to see a pumping animation of an oil diffusion pump in action

Fluidos de las bombas

¿Qué aceite se utiliza en las bombas de difusión?

Los fluidos adecuados para bombas de difusión de aceite son los aceites minerales y los aceites de silicona. Estos aceites deben satisfacer demandas exigentes, tarea que solo pueden llevar a cabo fluidos especiales. Las propiedades de estos, tales como la presión de vapor, la resistencia térmica y química (en especial contra el aire), determinan qué aceite elegir para un tipo dado de bomba o para alcanzar un vacío final concreto. La presión de vapor de los aceites utilizados en las bombas de vapor es inferior a la del mercurio. Los fluidos de las bombas de tipo orgánico son más sensibles de usar que el mercurio, dada la posibilidad de descomposición de los aceites que se produce por la admisión de aire a largo plazo. Los aceites de silicona, por otra parte, soportan admisiones de aire frecuentes en la bomba durante más tiempo.

El aceite mineral típico que ofrece Leybold para bombas de difusión es el LVO500. Este aceite mineral tiene fracciones de un producto de base de alta calidad (véase nuestro catálogo) destilado con especial precaución. El LVO500 es nuestro aceite para de bombas de difusión estándar para aplicaciones de alto vacío con una buena estabilidad térmica.

Para un rendimiento óptimo, Leybold ofrece el LVO521 (véase nuestro catálogo), una solución de aceite de silicona de alta pureza que contiene un silicio especial para ayudarle a obtener el máximo rendimiento de su bomba en aplicaciones de alto y ultra alto vacío. Cuenta una alta estabilidad térmica y es muy resistente a la oxidación y la descomposición.

Para las bombas eyectoras de vapor de aceite, Leybold ofrece el LVO540 (véase nuestro catálogo), un aceite hidrocarbúrico especial. Tiene una vida útil más prolongada, además de mayor estabilidad térmica; cuenta con una excelente resistencia térmica y química, y sobresale gracias a un alto grado de resistencia a la oxidación. Ofrece la velocidad de bombeo alta esencial de las bombas de chorro de vapor de aceite del rango de vacío medio.

Bombas de difusión de refrigeración

La energía del calentador que recibe un suministro continuo para la vaporización del fluido de la bomba de bombas difusoras debe disiparse mediante una refrigeración eficiente. La energía necesaria para bombear los gases y vapores es mínima. Las paredes exteriores de la carcasa de las bombas de difusión están refrigeradas, habitualmente por agua. Sin embargo, las bombas de difusión de aceite de menor tamaño pueden refrigerarse también mediante chorro de aire, ya que la baja temperatura de las paredes no es tan decisiva para la eficiencia como para las de difusión de mercurio. Las bombas de difusión de aceite pueden funcionar bien con temperaturas de pared de 30 °C (86 °F), mientras que las de las bombas de difusión de mercurio deben enfriarse hasta los 15 °C (59 °F). A fin de proteger las bombas del peligro de errores o fallos relacionados con el agua de refrigeración (siempre y cuando el serpentín del agua de refrigeración no esté controlado mediante conmutación de seguridad activada por temperatura), debe colocarse un monitor de circulación de agua en el circuito de agua de refrigeración; de este modo, se evita la evaporación de fluido de la bomba de las paredes de esta.

¿Se puede utilizar mercurio en las bombas de difusión?

El mercurio se puede utilizar como líquido de bomba. Es un elemento químico que, durante la vaporización, no se descompone ni se oxida en gran medida en caso de introducir aire. No obstante, a temperatura ambiente tiene una presión de vapor comparativamente alta de 10^-3 mbar. Si se van a alcanzar presiones totales finales más bajas, se necesitan trampas frías con nitrógeno líquido. Con la ayuda de estas, se pueden obtener presiones finales totales de 10^-10 mbar con bombas de difusión de mercurio. Puesto que el mercurio es tóxico, como ya se ha indicado, y porque representa un peligro para el medio ambiente, hoy en día apenas se utiliza como fluido de la bomba.

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