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Come funziona una pompa a diffusione?

Le pompe a diffusione sono sostanzialmente costituite (vedere la Fig. 2.44) da un corpo pompa (3) con parete raffreddata (4) e un sistema ugello a tre, quattro o cinque stadi (A - D). L'olio che funge da liquido della pompa si trova nella caldaia (2) e viene vaporizzato da qui tramite riscaldamento elettrico (1). Il vapore del liquido della pompa fluisce attraverso i tubi della colonna montante ed emerge a velocità supersonica dagli ugelli ad anello (A - D). Successivamente, il getto così formato si allarga come un ombrello e raggiunge la parete dove il liquido della pompa condensa. La condensa liquida scorre verso il basso formando uno strato sottile lungo la parete e infine ritorna nella caldaia. A causa della diffusione del getto, la densità del vapore è relativamente bassa. La diffusione di aria o di eventuali gas (o vapori) pompati nel getto è così rapida che, nonostante la sua elevata velocità, il getto diventa praticamente completamente saturo con il mezzo pompato. Pertanto, in un ampio intervallo di pressione, le pompe a diffusione hanno una velocità di pompaggio elevata. Questa è praticamente costante nell'intera regione di lavoro della pompa a diffusione (≤ 10-3 mbar) poiché, a queste basse pressioni, l'aria non può influenzare il getto e, pertanto, il suo percorso rimane indisturbato. A pressioni di ingresso più elevate, il flusso del getto viene alterato. Di conseguenza, la velocità di pompaggio diminuisce fino a quando, a circa 10-1 mbar, diventa praticamente impossibile da misurare. 

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Fig 2.44 Modalità di funzionamento di una pompa a diffusione.

  1. Riscaldatore
  2. Caldaia
  3. Corpo della pompa
  4. Bobina di raffreddamento
  5. Flangia per vuoto alto
  6. Molecole di gas
  7. Getto di vapore
  8. Collegamento al pre-vuoto
  9. Ugelli A, B, C, D

La pressione di pre-vuoto influenza anche il getto di vapore e diventa dannosa se il suo valore supera un determinato limite critico. Questo limite è detto contropressione massima o pre-pressione critica. La capacità della pompa primaria selezionata deve essere tale che la quantità di gas scaricato dalla pompa a diffusione venga estratta senza che si accumuli una contropressione vicina a quella massima o addirittura superiore.

La pressione finale ottenibile dipende dalla struttura della pompa, dalla pressione del vapore del liquido della pompa utilizzato, dalla massima condensa possibile del liquido della pompa e dalla pulizia del serbatoio. Inoltre, il flusso di ritorno del liquido della pompa nel serbatoio deve essere ridotto il più possibile da appositi deflettori o trappole fredde. 

Degasaggio dell'olio della pompa - prevenzione della contaminazione

Nelle pompe a diffusione d'olio è necessario degasare il liquido della pompa prima di re-immetterlo nella caldaia. Durante il riscaldamento dell'olio della pompa, all'interno di questa possono generarsi prodotti di decomposizione. Dal serbatoio, la contaminazione può entrare nella pompa o essere presente nella pompa fin dall'inizio. Questi componenti del liquido della pompa possono peggiorare significativamente la pressione finale ottenibile da una pompa a diffusione, se non tenuti lontano dal serbatoio. Pertanto, il liquido della pompa deve essere liberato da queste impurità e dai gas assorbiti. 

Questa è la funzione della sezione di degasaggio, attraverso la quale l'olio circolante passa poco prima di rientrare nella caldaia. Nella sezione di degasaggio vengono eliminate le impurità più volatili. Il degasaggio si ottiene mediante il rigoroso controllo della distribuzione della temperatura nella pompa. La temperatura del liquido della pompa condensato che scorre lungo le pareti raffreddate sotto forma di pellicola sottile viene aumentata sino a circa 130 °C (266 °F) al di sotto dello stadio di diffusione più basso, per consentire ai componenti volatili di evaporare ed essere rimossi dalla pompa primaria. Quindi, il liquido della pompa di ri-evaporazione è costituito solo dai componenti meno volatili dell'olio della pompa. 

Velocità di pompaggio di una pompa a diffusione

Il valore della velocità di pompaggio specifica S di una pompa a diffusione, ovvero la velocità di pompaggio per unità di area della superficie di ingresso effettiva, dipende da diversi parametri, tra cui la posizione e le dimensioni dello stadio di vuoto alto, la velocità del vapore del liquido della pompa e la velocità molecolare media c del gas pompato (vedere l'equazione 1.17). Con l'aiuto della teoria cinetica dei gas, la velocità di pompaggio specifica massima ottenibile a temperatura ambiente dell'aria di pompaggio è data da Smax = 11,6 l · s-1 · cm-2. Questa è la conduttanza del flusso specifica (molecolare) dell'area di aspirazione della pompa, simile a un'apertura della stessa area superficiale (vedere l'equazione 1.30). In genere, le pompe a diffusione hanno una velocità di pompaggio più elevata per i gas più leggeri rispetto ai gas più pesanti.

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(1.17)

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(1.30)

Per caratterizzare l'efficacia di una pompa a diffusione, viene definito il cosiddetto fattore HO. Questo è il rapporto tra la velocità di pompaggio specifica effettivamente ottenuta e la velocità di pompaggio specifica massima teoricamente possibile. In caso di pompe a diffusione di Leybold, si ottengono valori ottimali (pari a 0,3 per le pompe più piccole e fino a 0,55 per quelle più grandi). 

Pompe a diffusione d'olio prodotte da Leybold

Le varie pompe a diffusione d'olio prodotte da Leybold differiscono per le seguenti caratteristiche di progettazione (vedere la Fig. 2.45).

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Fig 2.45 Schema che illustra il principio di progettazione di una pompa a diffusione.

  1. Flangia di collegamento del pre-vuoto
  2. Anello di centraggio con deflettore di pre-vuoto
  3. Gruppo ugello
  4. Tubazione del liquido di raffreddamento
  5. Flangia di collegamento per vuoto alto
  6. Deflettore con coperchio a freddo
  7. Alloggiamento della pompa
  8. Scatola di derivazione elettrica
  9. Rivestimento in lamiera metallica per riscaldamento

Serie DIP

In queste pompe si svolge un processo di evaporazione del liquido della pompa, essenzialmente privo di picchi, grazie all'eccezionale design del riscaldatore, che consente di ottenere una velocità di pompaggio estremamente costante nel tempo. Il riscaldatore è di tipo interno ed è costituito da cartucce riscaldanti in cui vengono introdotti tubi con pannelli termicamente conducibili saldati sopra. I tubi in acciaio inossidabile sono saldati orizzontalmente nel corpo della pompa e sono posizionati sopra al livello dell'olio. I pannelli a conducibilità termica in rame sono solo parzialmente immersi nel liquido della pompa. Queste parti dei pannelli a conducibilità termica sono così dimensionate in modo che il liquido della pompa possa evaporare in modo intenso ma senza alcun ritardo di ebollizione. Le parti dei pannelli a conducibilità termica sopra il livello dell'olio forniscono ulteriore energia al vapore. Grazie allo speciale design dell'impianto di riscaldamento, le cartucce possono essere sostituite anche mentre la pompa è ancora calda. 
Le pompe DIP sono dotate di un gruppo di ugelli con design a quattro stadi e sono adatte per il pompaggio in un intervallo di pressione compreso tra 10-2 e 10-8 mbar.

Serie DIJ

La serie DIJ è caratterizzata da un design ulteriormente migliorato per le applicazioni in cui è necessaria un'elevata velocità di pompaggio in combinazione con elevate portate di gas in un intervallo di pressione compreso tra 5x10-1 e 10-7 mbar. Il design del riscaldatore con pannelli di conducibilità deriva dalla serie DIP, ma è stato ulteriormente migliorato. Invece di un design tubolare, in cui le cartucce di riscaldamento vengono introdotte in tubi in acciaio inox, le pompe DIJ presentano un design flangiato. Le cartucce del riscaldatore sono montate in modo sicuro e a tenuta nel serbatoio del riscaldatore e direttamente immerse nel liquido della pompa. Questo design consente un ulteriore riscaldamento del liquido della pompa e una manutenzione semplificata. Il gruppo getto include un'ulteriore fase di eiezione, che garantisce una maggiore stabilità della pressione di pre-vuoto e una maggiore produzione di gas. Poiché il principio della pompa a diffusione si basa sull'olio di riscaldamento, queste pompe affrontano un problema importante. Circa l'80% dell'energia immessa nella pompa viene emessa nell'ambiente. La serie DIJ è dotata di una camicia di protezione di isolamento attorno al serbatoio del riscaldatore che lo isola dall'ambiente circostante e consente di migliorare il tempo di riscaldamento e il consumo di energia.

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

Liquidi della pompa

Quale olio viene utilizzato nelle pompe a diffusione?

I liquidi adatti per le pompe a diffusione d'olio sono oli minerali e siliconici. Tali oli sono soggetti a requisiti rigorosi che vengono soddisfatti solo da liquidi speciali. Le proprietà di questi, come la pressione di vapore, la resistenza termica e chimica, in particolare nei confronti dell'aria, determinano la scelta dell'olio da utilizzare in un determinato tipo di pompa o per ottenere un determinato vuoto finale. La pressione di vapore degli oli utilizzati nelle pompe per vapore è inferiore a quella del mercurio. I liquidi organici delle pompe sono più sensibili durante il funzionamento rispetto al mercurio, poiché gli oli possono essere decomposti dall'ingresso a lungo termine di aria. Gli oli siliconici, tuttavia, resistono a frequenti immissioni di aria di lunga durata nelle pompe in funzione. 

Il tipico olio minerale di Leybold per le pompe a diffusione è LVO500, che contiene frazioni di un prodotto base di alta qualità (vedere il nostro catalogo) distillato con particolare cura. LVO 500 è il nostro olio per pompe a diffusione standard per applicazioni nel vuoto alto con una buona stabilità termica.

Per prestazioni ottimali, Leybold offre LVO521 (vedere il nostro catalogo), una soluzione a base di olio di silicone ad alta purezza contenente uno speciale silicone che consente di ottenere le migliori prestazioni dalla pompa in applicazioni con vuoto alto e ultra alto. Ha un'elevata stabilità termica ed è altamente resistente all'ossidazione e alla decomposizione. 

Per le pompe a eiettore di vapore d'olio, Leybold offre LVO540 (vedere il nostro catalogo), uno speciale olio a base di idrocarburi. Caratterizzato da una lunga durata utile e una migliore stabilità termica, ha un'elevata resistenza termica e chimica ed è eccellente grazie all'elevato grado di resistenza all'ossidazione. Consente l'elevata velocità di pompaggio essenziale delle pompe a eiettore di vapore nella gamma del vuoto medio.

Raffreddamento delle pompe a diffusione

La potenza fornita costantemente dal riscaldatore per vaporizzare il liquido della pompa nelle pompe di trascinamento di fluidi deve essere dissipata da un raffreddamento efficiente. L'energia necessaria per il pompaggio di gas e vapori è minima. Le pareti esterne dell'alloggiamento delle pompe a diffusione vengono raffreddate, in genere, con acqua. Tuttavia, le pompe a diffusione d'olio più piccole possono anche essere raffreddate con un flusso d'aria, poiché una bassa temperatura delle pareti non è così decisiva per l'efficienza come per le pompe a diffusione a mercurio. Le pompe a diffusione d'olio possono funzionare bene con temperature delle pareti di 30 °C (86 °F), mentre le pareti delle pompe a diffusione a mercurio devono essere raffreddate a 15 °C (59 °F). Per proteggere le pompe dal rischio di guasto dell'acqua di raffreddamento, nella misura in cui la serpentina dell'acqua di raffreddamento non è controllata da un interruttore di protezione azionato termicamente, è necessario installare un sistema di monitoraggio della circolazione dell'acqua nel circuito dell'acqua di raffreddamento evitando, in tal modo, l'evaporazione del liquido della pompa dalle pareti della stessa. 

Il mercurio può essere utilizzato nelle pompe a diffusione?

Il mercurio può essere utilizzato come liquido per pompe. È un elemento chimico che durante la vaporizzazione non si decompone né si ossida fortemente quando viene immessa aria. Tuttavia, a temperatura ambiente ha una pressione di vapore relativamente elevata di 10-3 mbar. Se si devono raggiungere pressioni totali finali inferiori, è necessario utilizzare trappole fredde ad azoto liquido. Grazie al loro aiuto, è possibile ottenere pressioni totali finali di 10-10 mbar con le pompe a diffusione a mercurio. Poiché il mercurio è tossico, come già detto, e poiché rappresenta un pericolo per l'ambiente, oggi non è quasi mai utilizzato come liquido per pompe.

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