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Como uma bomba de difusão funciona?

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As bombas de difusão consistem basicamente (consulte a Fig. 2.44) de um corpo da bomba (3) com uma parede resfriada (4) e um sistema de bocal de três, quatro ou cinco estágios (A - D). O óleo que serve como fluido da bomba está na caldeira (2) e é vaporizado a partir daqui por aquecimento elétrico (1). O vapor do fluido da bomba flui através dos tubos ascendentes e emerge com velocidade supersônica dos bocais em forma de anel (A - D). Depois disso, o jato assim formado se expande como um guarda-chuva e atinge parede onde ocorre a condensação do fluido da bomba. O condensado líquido flui para baixo como um filme fino ao longo da parede e, finalmente, retorna para a caldeira. Devido a esse espalhamento do jato, a densidade do vapor é relativamente baixa. A difusão do ar ou de quaisquer gases (ou vapores) bombeados para dentro do jato é tão rápida que, apesar da sua alta velocidade, o jato fica completamente saturado com o meio bombeado. Portanto, em uma ampla faixa de pressão, as bombas de difusão têm uma alta velocidade de bombeamento. Isso é praticamente constante em toda a região de trabalho da bomba de difusão (≤ 10^-3 mbar), pois o ar nessas baixas pressões não pode influenciar o jato, portanto seu curso permanece inalterado. Em pressões de entrada mais altas, o curso do jato é alterado. Como resultado, a velocidade de bombeamento diminui até que, a cerca de 10^-1 mbar, se torne imensuravelmente pequena.

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Fig. 2.44 Modo de operação de uma bomba de difusão.

Aquecedor
Caldeira
Corpo da bomba
Serpentina de resfriamento
Flange de alto vácuo
Moléculas de gás
Jato de vapor
Conexão de vácuo de apoio
Bocais A, B, C, D

A pressão de pré-vácuo também influencia o jato de vapor e se torna prejudicial se seu valor exceder um certo limite crítico. Esse limite é chamado de pressão de apoio máxima ou pressão crítica. A capacidade da bomba de apoio escolhida deve ser tal que a quantidade de gás descarregado da bomba de difusão seja bombeada sem aumentar a pressão de apoio, que esteja próxima da pressão de apoio máxima, ou até mesmo excedê-la.

A pressão máxima atingível depende da construção da bomba, da pressão de vapor do fluido de bomba usado, da máxima condensação possível do fluido da bomba e da limpeza do reservatório. Além disso, o fluxo de retorno do fluido da bomba para o reservatório deve ser reduzido o máximo possível por defletores ou armadilhas a frio adequados.

Desgaseificação do óleo da bomba - evitando a contaminação

Nas bombas de difusão de óleo, é necessário que o fluido da bomba seja desgaseificado antes de retornar à caldeira. No aquecimento do óleo da bomba, podem surgir produtos de decomposição na bomba. A contaminação do reservatório pode entrar na bomba ou ser contida na bomba em primeiro lugar. Esses componentes do fluido da bomba podem piorar significativamente a pressão final atingível por uma bomba de difusão, se não forem mantidos longe do reservatório. Portanto, o fluido da bomba deve estar livres dessas impurezas e dos gases absorvidos.

Esta é a função da seção de desgaseificação, através da qual o óleo circulante passa, pouco antes da entrar novamente na caldeira. Na seção de desgaseificação, as impurezas mais voláteis escapam. A desgaseificação é obtida pela distribuição de temperatura cuidadosamente controlada na bomba. O fluido de bomba condensado, que desce pelas paredes resfriadas como um filme fino, é elevado a uma temperatura de cerca de 130 °C (266 °F) abaixo do estágio de difusão mais baixo, para permitir que os componentes voláteis evaporem e sejam removidos pela bomba de apoio. Portanto, o fluido da bomba de re-evaporação consiste apenas nos componentes menos voláteis do óleo da bomba.

Velocidade de bombeamento de uma bomba de difusão

A magnitude da velocidade de bombeamento específica S de uma bomba de difusão - ou seja, a velocidade de bombeamento por unidade de área da superfície de entrada real - depende de vários parâmetros, incluindo a posição e as dimensões do estágio de alto vácuo, a velocidade do vapor do fluido da bomba e a velocidade molecular média c- do gás sendo bombeado (ver equação 1.17). Com a ajuda da teoria cinética dos gases, a velocidade de bombeamento específica máxima atingível à temperatura ambiente no bombeamento de ar é calculada para S_máx= 11,6 l · s^-1· cm^-2. Esta é a condutância de fluxo específica (molecular) da área de admissão da bomba, semelhante a uma abertura da mesma área de superfície (veja a equação 1.30). Em geral, as bombas de difusão têm uma velocidade de bombeamento mais alta para gases mais leves em comparação com gases mais pesados.

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(1.17)

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(1.30)

Para caracterizar a eficácia de uma bomba de difusão, o chamado fator HO é definido. Esta é a relação da velocidade de bombeamento específica realmente obtida com a máxima velocidade teórica de bombeamento específica possível. No caso de bombas de difusão da Leybold, os valores ideais são atingidos (de 0,3 para as bombas menores e até 0,55 para as maiores).

Bombas de difusão de óleo fabricadas pela Leybold

As várias bombas de difusão de óleo fabricadas pela Leybold diferem nos seguintes recursos de projeto (veja a Fig. 2.45).

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Fig. 2.45 Diagrama que mostra o princípio de projeto de uma bomba de difusão.

Flange de conexão de pré-vácuo
Anel de centralização com defletor de pré-vácuo
Conjunto do bocal
Linha do líquido de arrefecimento
Flange de conexão de alto vácuo
Divisória da tampa fria
Alojamento da bomba
Caixa de conexões elétricas
Revestimento de chapa metálica para aquecimento

Série DIP

Nessas bombas, um processo de evaporação para o fluido da bomba, que é essencialmente livre de rajadas, é obtido pelo excepcional projeto do aquecedor, resultando em uma velocidade de bombeamento altamente constante ao longo do tempo. O aquecedor é do tipo interno e consiste em cartuchos de aquecimento nos quais são introduzidos tubos soldados em painéis de condutividade térmica. Os tubos de aço inoxidável são soldados horizontalmente no corpo da bomba e estão localizados acima do nível de óleo. Os painéis de condutividade térmica de cobre são apenas parcialmente imersos no fluido da bomba. Essas partes dos painéis de condutividade térmica são tão classificadas que o fluido da bomba pode evaporar intensamente, mas sem qualquer retardo da ebulição. As partes dos painéis de condutividade térmica acima do nível de óleo fornecem energia adicional ao vapor. Devido ao design especial do sistema de aquecimento, os cartuchos do aquecedor também podem ser trocados com a bomba ainda quente.
As bombas DIP estão equipadas com uma pilha de jato num design de bocal de quatro estágios e são adequadas para bombeamento em uma faixa de pressão de 10^-2 a 10^-8 mbar.

Série DIJ

A série DIJ apresenta um design aprimorado para aplicações, em que é necessária uma alta velocidade de bombeamento em combinação com altas taxas de transferência de gás em uma faixa de pressão de 5x10^-1 a 10^-7 mbar. O design do aquecedor com painéis de condutividade foi retirado da série DIP, mas aprimorado ainda mais. Em vez de um design de tubular, onde os cartuchos do aquecedor são introduzidos em tubos de aço inoxidável, um design flangeado é fornecido com bombas DIJ. Os cartuchos do aquecedor são montados de forma segura e estanque no reservatório do aquecedor e diretamente imersos no fluido da bomba. Este design proporciona um aquecimento aprimorado do fluido da bomba, bem como uma manutenção simplificada. A pilha de jato inclui um estágio de ejetor adicional, o que leva a uma maior estabilidade da pressão de pré-vácuo e a uma maior produtividade de gás. Como o princípio da bomba de difusão é baseado em óleo de aquecimento, essas bombas lidam com um problema importante. Aproximadamente 80% da energia trazida na bomba será emitida para o meio ambiente. A série DIJ é equipada com um revestimento de isolamento ao redor do reservatório do aquecedor, que o isola do ambiente e leva a um melhor tempo de aquecimento e consumo de energia.

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

Fluidos da bomba

Qual óleo é usado em bombas de difusão?

Os fluidos de bomba adequados para bombas de difusão de óleo são óleos minerais e óleos de silicone. Exigências severas são colocadas em tais óleos que são atendidos somente por fluidos especiais. As propriedades destes, como a pressão de vapor, a resistência térmica e química, especialmente contra o ar, determinam a escolha do óleo a ser usado em um determinado tipo de bomba ou para atingir um determinado vácuo máximo. A pressão de vapor dos óleos usados nas bombas de vapor é menor que a do mercúrio. Fluidos de bomba orgânicos são mais sensíveis em operação do que o mercúrio, porque os óleos podem ser decompostos pela admissão de ar a longo prazo. Os óleos de silicone, no entanto, resistem a admissões frequentes de ar mais duradouras na bomba operacional.

O óleo mineral típico que Leybold oferece para bombas de difusão é o LVO500. Esse óleo mineral possui frações de um produto base de alta qualidade (consulte nosso catálogo) destilado com cuidado especial. O LVO 500 é nosso óleo de bomba de difusão padrão para aplicações em alto vácuo com boa estabilidade térmica.

Para obter o desempenho ideal, a Leybold oferece o LVO521(consulte nosso catálogo), uma solução de óleo de silicone de alta pureza que contém um silício especial para ajudá-lo a obter o melhor desempenho da sua bomba em aplicações de alto e ultra-alto vácuo. Possui alta estabilidade térmica e é altamente resistente à oxidação e decomposição.

Para bombas a jato de vapor de óleo, a Leybold oferece o LVO540 (consulte nosso catálogo), um óleo de hidrocarboneto especial. Ele tem uma vida útil estendida do óleo e maior estabilidade de temperatura, alta resistência térmica e química altamente resistente e se destaca por muita resistência à oxidação. Ele fornece a alta velocidade de bombeamento essencial das bombas de jato de vapor na faixa de vácuo médio.

Bombas de difusão de resfriamento

A energia do aquecedor que é continuamente fornecida para vaporizar o fluido da bomba em bombas de controle de fluido deve ser dissipada por resfriamento eficiente. A energia necessária para bombear os gases e vapores é mínima. As paredes externas do revestimento das bombas de difusão são resfriadas, geralmente com água. As bombas de difusão de óleo menores, no entanto, também podem ser resfriadas com uma corrente de ar porque uma temperatura de parede baixa não é tão decisiva para a eficiência como para as bombas de difusão de mercúrio. As bombas de difusão de óleo podem operar bem com temperaturas de parede de 30 °C (86 °F), enquanto as paredes das bombas de difusão de mercúrio devem ser resfriadas a 15 °C (59 °F). Para proteger as bombas do perigo de falha da água de resfriamento - na medida em que a serpentina de água de resfriamento não seja controlada por comutação de proteção operada termicamente - um monitor de circulação de água deve ser instalado no circuito de água de resfriamento; assim, a evaporação do fluido da bomba das paredes da bomba é evitada.

O mercúrio pode ser usado em bombas de difusão?

O mercúrio pode ser usado como fluido da bomba. É um elemento químico que, durante a vaporização, não se decompõe nem se oxida fortemente quando o ar é admitido. No entanto, à temperatura ambiente, tem uma pressão de vapor relativamente alta de 10^-3 mbar. Para atingir pressões totais máximas mais baixas, são necessárias armadilhas a frio com nitrogênio líquido. Com a ajuda delas, pressões totais máximas de 10^-10 mbar podem ser obtidas com bombas de difusão de mercúrio. Como o mercúrio é tóxico, como já foi mencionado, e por representar um perigo ao meio ambiente, hoje em dia ele quase sempre é usado como fluido de bombeamento.

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Referências

Símbolos de vácuo
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Referências e fontes

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Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento

Glossário de unidades

Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas

Referências e fontes

Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo

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