¿Cómo funciona una bomba de lóbulos?
El principio de diseño de las bombas de lóbulos ya fue descubierto en 1848 por Isaiah Davies, pero no sería hasta 20 años después que se pondría en la práctica por los estadounidenses Francis y Philander Roots. Inicialmente, estas bombas se usaban a modo de soplantes para los motores de combustión. Posteriormente, el mecanismo de accionamiento se invertiría y se emplearía en contadores de gas. Este principio no se usó en el campo de la ingeniería de vacío hasta 1954. Las bombas de lóbulos se usan en combinaciones junto con bombas auxiliares (bombas de paletas rotativas o secas) y amplían su rango de funcionamiento hasta bien entrada la región del vacío medio, que puede llegar al alto en las bombas de lóbulos de dos etapas. El principio de funcionamiento de las bombas de lóbulos permite montar unidades con velocidades de bombeo muy elevadas (que superan los 100 000 m3/h), lo que resulta más económico que usar bombas eyectoras de vapor que funcionen en el mismo rango de funcionamiento.
El principio de funcionamiento de una bomba de lóbulos
La bomba de vacío de lóbulos (véase la Fig. 2.17) es una bomba rotativa de desplazamiento positivo en la que dos rodetes simétricos en forma giran dentro de la carcasa de la bomba uno por delante del otro encontrándose muy cerca. Los dos rotores tienen una sección transversal que se asemeja más o menos a la forma de la Figura 8 y están sincronizados por medio de un engranaje dentado. La separación entre los rotores y la pared de la carcasa (y los propios rotores) es de apenas unas pocas décimas de milímetro. Es esto lo que permite usar las bombas de lóbulos a altas velocidades sin engranajes mecánicos. A diferencia de lo que ocurre con las de paletas rotativas y secas, las bombas de lóbulos no están selladas con aceite, por lo que las fugas internas de las bombas de compresión en seco, por diseño, tiene la consecuencia de solo poder alcanzar relaciones de compresión de entre 10 y 100. Las fugas internas que presentan las bombas de lóbulos (y a colación de esto también otras bombas compresoras secas) se fundamentan principalmente en el hecho de que, como consecuencia del principio de funcionamiento correspondiente, ciertas áreas superficiales de la cámara de la bomba están asignadas a los lados de admisión o compresión de la bomba de forma alterna. En la fase de compresión, estas áreas de superficie (de los rotores y la carcasa) se cargan de gas (capa separadora), que se expulsa durante la fase de aspiración. El espesor de la capa de gas que se desplaza depende de la separación entre los dos rotores y entre los rotores y la pared de la carcasa. Como consecuencia de ciertas condiciones térmicas de cierta complejidad que se producen en el interior de la bomba de lóbulos, no es posible fundamentar los conocimientos en un estado frío. Para conseguir las mínimas separaciones (y, por consiguiente, también el menor contraflujo) deben usarse presiones de funcionamiento del orden de 1 mbar. Así, es posible alcanzar las relaciones de compresión más elevadas en esta región de valores, pero este rango de presión es también de la máxima importancia en lo que respecta a los contactos entre el rotor y la carcasa.
Fig. 2.17: Sección transversal esquematizada de una bomba de lóbulos
- Brida de admisión
- Rotores
- Cámara
- Brida de escape
- Carcasa
Vea el vídeo que aparece a continuación, con una animación del bombeo que se produce en una bomba de lóbulos
RUVAC - The dry compressor roots principle
Cantidades características de las bombas de lóbulos
La cantidad de gas Qef bombeada de forma eficaz por una bomba de lóbulos se calcula a partir de la cantidad de gas bombeado teóricamente Qte y de las fugas internas QiR (como cantidad de gas perdido) de la siguiente forma:
(2.5)
Se cumple lo siguiente sobre la cantidad teórica de gas bombeado:
(2.6)
donde pa es la presión de admisión y Ste es la velocidad de bombeo teórica. Esto, a su vez, es el producto del volumen de bombeo VS y de la velocidad n:
(2.7)
Del mismo modo, las fugas internas QiR se calculan de la siguiente forma:
(2.8)
donde pV es la presión de vacío previo (presión en el lado de vacío previo) y SoR es una velocidad de bombeo (teórica) de "contraflujo" con
(2.9)
esto es, el producto de la velocidad n y el volumen de fugas internas ViR.
La eficiencia volumétrica de las bombas de lóbulos se indica en (2.10).
(2.10)
Mediante el uso de las Ecuaciones 2.5, 2.6, 2.7 y 2.8, se obtiene (2.11)
(2.11)
Si se designa la compresión pv/pa como k, se obtiene
(2.11a)
La compresión máxima se alcanza a un caudal cero; véanse los instrumentos pertinentes de 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) y la norma DIN 28 426, Parte 2. Se designa como k0: (2.12).
(2.12)
k0 es una cantidad característica de la bomba de lóbulos que normalmente se indica como una función de la presión de vacío previo pV (véase la Fig. 2.18).
k0 también depende (levemente) del tipo de gas.
2.18: Compresión máxima k0 de la bomba de lóbulos RUVAC WA 2001 como función de la presión de vacío previo pv
En lo que a la eficiencia de la bomba de lóbulos respecta, cabe aplicar la ecuación válida de forma general: (2.13)
(2.13)
Normalmente, las bombas de lóbulos trabajan junto con una bomba de vacío primario situada aguas abajo y con una velocidad de bombeo nominal SV. La Ecuación de continuidad da como resultado lo siguiente: (2.14)
(2.14)
De esta (2.15)
(2.15)
La relación Ste/SV (velocidad de bombeo teórica de la bomba de lóbulos/velocidad de bombeo de la bomba auxiliar o de respaldo) se expresa en la gradación kte. De (2.15) se sigue (2.16).
(2.16)
De la Ecuación (2.16) se deriva implícitamente que la compresión k alcanzable con una bomba de lóbulos debe ser siempre inferior a la gradación kte entre la bomba de lóbulos y la bomba auxiliar, ya que la eficiencia volumétrica es siempre < 1. Si se combinan las ecuaciones (2.13) y (2.16), se obtiene la muy conocida expresión (2.17) relativa a la eficiencia.
(2.17)
Las cantidades características que figuran en la Ecuación 2.17 corresponden únicamente a la combinación de bomba de lóbulos y bomba auxiliar, esto es, la compresión máxima k0 de la bomba de lóbulos y la gradación kte entre la bomba de lóbulos y la bomba auxiliar.
Con la ayuda de las ecuaciones anteriores, se puede calcular la curva de velocidad de bombeo de una determinada combinación de bomba de lóbulos y bomba auxiliar. Para ello, se debe conocer lo siguiente:
a) La velocidad de bombeo teórica de la bomba de lóbulos: Ste
b) La compresión máxima en función de la presión de vacío previo: k0 (pV)
c) La característica de velocidad de bombeo de la bomba auxiliar SV (pV)
La forma en que se efectúa el cálculo se puede observar en la Tabla 2.3, en la que figuran los datos de la combinación de una bomba de lóbulos RUVAC WA 2001 y E 250 (bomba de émbolo rotativo de una etapa sin gas ballast).
Tabla 2.3: Los valores obtenidos de las dos columnas de la derecha indican punto a punto la curva de velocidad de bombeo para la combinación de WA 2001 y E250 (véase la Fig. 2.19, la curva situada más arriba)
En este caso, para Ste se toma lo siguiente:
El método anterior también puede aplicarse a disposiciones consistentes en una bomba rotativa a modo de bomba auxiliar y varias bombas de lóbulos conectadas en serie, por ejemplo. Inicialmente, se calcula (de conformidad con un método iterativo) la característica de bombeo de la bomba auxiliar más la primera bomba de lóbulos; seguidamente, se considera esta combinación de bomba auxiliar de la segunda bomba de lóbulos y así sucesivamente. No cabe duda de que debe conocerse la velocidad de bombeo teórica de todas las bombas de la disposición, así como la compresión a caudal cero k0 como función de la contrapresión. Como ya se ha indicado, la graduación más indicada depende del proceso de vacío. Puede resultar ventajoso si la bomba auxiliar y la bomba de lóbulos cuentan con la misma velocidad de bombeo en el rango de vacío primario.
Potencia necesaria para una bomba de lóbulos
La compresión de una bomba de lóbulos se lleva a cabo mediante compresión externa y se denomina "compresión isocórica". De la experiencia se observa que puede aplicarse (de forma aproximada) la siguiente ecuación:
(2.18)
Para calcular la potencia total (la llamada "potencia del eje") de la bomba, se deben tener en cuenta las pérdidas de potencia mecánica NV (por ejemplo, en las juntas de los cojinetes): (2.19)
(2.19)
Las pérdidas de potencia que se resumen en NV son, como se deriva de la experiencia, proporcionales a Ste de manera aproximada, esto es:
(2.20)
Según el tipo de bomba y su diseño, el valor de la constante oscila entre los 0,5 y los 2 Wh/m3.
Por consiguiente, la potencia total es la siguiente:
La ecuación del valor numérico correspondiente que resulta útil para estos cálculos es la siguiente:
(2.21)
con pv, pa dadas en mbar; Ste, en m3/h, y la constante "const.", de entre 18 y 72 mbar.
Capacidad de carga de una bomba de lóbulos
La cantidad de potencia consumida por la bomba determina su temperatura. Si la temperatura aumenta por encima de un valor determinado, calculado a partir de la diferencia de presión máxima permisible pV – pa, existe el peligro de que los rotores se atasquen dentro de la carcasa como consecuencia de su expansión térmica. La diferencia de presión máxima permisible Δpmáx está influida por los siguientes factores: el vacío previo o la presión de compresión pV, la velocidad de bombeo de la válvula de respaldo SV, la velocidad de la bomba de lóbulos n, la gradación kte y el exponente adiabático κ del gas bombeado. El valor de Δpmáx aumenta si también lo hacen pV y SV, y se reduce cuando aumentan n y kte. Por consiguiente, la diferencia máxima entre la presión de vacío previo y la presión de admisión, pV-pa no debe superar un determinado valor en el funcionamiento continuo, en función del tipo de bomba. Dichos valores se encuentran en el rango de entre los 130 y los 50 mbar. No obstante, la diferencia de presión máxima permisible para el funcionamiento continuo puede superarse durante lapsos breves. En determinados diseños especiales, por ejemplo, en los que se usan refrigeración por gas, también pueden alcanzarse diferencias de presión elevadas durante el funcionamiento continuo.
Tipos de motores utilizados con las bombas de lóbulos
A modo de mecanismo de accionamiento, se emplean motores normales montados sobre brida. Las canalizaciones del eje están selladas mediante dos retenes radiales sellados con aceite que se mueven por un casquillo resistente al desgaste con el fin de proteger el eje de accionamiento. Es posible usar motores de brida de cualquier clase de protección, tensión (voltaje) y frecuencia.
El hermetismo integral de esta versión es de < 10-4 mbar · l · s-1.
Si se necesita un mayor hermetismo (< 10-5 mbar · l · s-1), la bomba de lóbulos cuenta con un motor encapsulado. El rotor está asentado en el vacío del eje de accionamiento de la bomba y separado del estator por medio de un tubo no magnético cerrado al vacío. Las bobinas del estator se refrigeran mediante un ventilador que tiene su propio motor de accionamiento. Por consiguiente, dejan de necesitarse retenes que puedan sufrir desgaste. El uso de bombas de lóbulos equipadas con motores encapsulados es especialmente recomendable de bombearse gases y vapores de alta pureza, tóxicos o radiactivos.
Mantenimiento de la diferencia de presión permitida
Para las bombas de lóbulos estándar, deben tomarse las medidas pertinentes con el fin de garantizar que no se supere la diferencia de presión máxima permisible entre los puertos de admisión y escape que se deriva de las limitaciones del diseño. Esto se consigue, bien mediante un interruptor de vacío (que interrumpe la entrada y salida de la bomba en función de la presión de admisión), bien mediante una válvula de diferencia de presión o de rebose situada en la derivación de las bombas de lóbulos (Figs. 2.20 y 2.21). La solución más indicada y fiable es usar una válvula de rebose en la derivación de la bomba de lóbulos. La válvula, accionada por peso y muelle, se configura conforme a la diferencia de presión máxima permisible de la bomba en cuestión. De este modo, se verifica que la bomba de lóbulos no se sobrecargue y pueda usarse en cualquier rango de presión. En la práctica, esto supone que sea posible poner en marcha la bomba de lóbulos junto con la de respaldo al valor de presión atmosférica. Durante el proceso correspondiente, ningún incremento de la presión afecta negativamente al funcionamiento de esta combinación, esto es, la bomba de lóbulos no se apaga en estas circunstancias.
Fig. 2.20: Sección transversal de bombas de lóbulos con línea de derivación
Fig. 2.21: Diagrama de vacío: bomba de lóbulos con línea de derivación integrada y bomba auxiliar
Refrigeración previa a la admisión
En las bombas de lóbulos con refrigeración previa a la admisión (Fig. 2.22) el proceso de compresión es básicamente el mismo que en las normales. Puesto que se permite alcanzar diferencias de presión más altas, también se necesita de una mayor potencia instalada, a la cual la velocidad y la diferencia de presión entre los puertos de admisión y descarga dadas sean directamente proporcionales y coincidan con el trabajo teórico efectuado relativo a la compresión y las diversas pérdidas de potencia. El proceso de compresión suele terminar después de abrir la cámara de bombeo en dirección al puerto de descarga. Es en este momento que el gas a una presión más elevada se introduce en la cámara de bombeo y comprime el volumen de gas transportado. Este proceso de compresión se lleva a cabo en una etapa anterior en el caso de los equipos con refrigeración previa a la admisión. Antes de que el rotor abra la cámara de bombeo en dirección al puerto de descarga, el gas comprimido y refrigerado circula hacia el interior de la cámara de bombeo a través del canal de admisión previa. Por último, los rotores expulsan el medio bombeado por el puerto de descarga. El gas refrigerado, que en la compresión de una etapa se obtiene de la atmósfera y se admite procedente del refrigerador previo y en el de los sistemas de bombeo de varias etapas se obtiene de los refrigeradores de gas aguas abajo lleva a cabo la compresión previa y elimina el calor de la compresión por "refrigeración interna" en el momento de producirse.
Fig. 2.22: Diagrama de una bomba de lóbulos con enfriamiento previo a la admisión
- Puerto de admisión
- Puerto de descarga
- Refrigerador de gas
- Circulación de gas frío
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Referencias
- Símbolos de vacío
- Glosario de unidades
- Referencias y fuentes
Símbolos de vacío
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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
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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
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Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío
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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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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
