O que é o lastro de gás e como ela funciona?

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A instalação de lastro de gás desenvolvida em 1935 por Wolfgang Gaede inibe a ocorrência de condensação do vapor na bomba. A instalação de lastro de gás, tal como usada na palheta rotativa, no êmbolo rotativo e nas bombas trocoides, permite não apenas o bombeamento de gases permanentes, mas também quantidades ainda maiores de gases condensáveis.

Benefícios de um lastro de gás

A instalação de lastro de gás (consulte a Fig. 2.13) impede a condensação de vapores na câmara da bomba. Ao bombear vapores, estes só podem ser comprimidos até sua pressão de vapor de saturação na temperatura da bomba. Se bombear vapor de água, por exemplo, a uma temperatura de bomba de 70 °C (158 °F), o vapor só pode ser comprimido a 312 mbar (pressão de vapor de saturação de água a 70 °C (158 °F) (consulte a Tabela XIII)). Ao comprimir ainda mais, o vapor de água condensa sem aumentar a pressão. Nenhuma sobrepressão é criada na bomba e a válvula de escape não é aberta. Em vez disso, o vapor de água permanece como água na bomba e emulsiona com o óleo da bomba. Isso prejudica muito rapidamente as propriedades lubrificantes do óleo e a bomba pode até mesmo emperrar quando absorve muita água.

Princípio de operação

Antes do início do processo de compressão real (consulte a Fig. 2.13), uma quantidade de ar precisamente definida ("o lastro de gás") é admitida na câmara bombeamento da bomba. A quantidade é tal que a taxa de compressão da bomba é reduzida para um máximo de 10:1 Agora, os vapores que foram absorvidos pela bomba podem ser comprimidos junto com o lastro de gás, antes de atingir seu ponto de condensação e ejetar da bomba. A pressão parcial dos vapores absorvidos não pode, no entanto, exceder um determinado valor. Deve ser tão baixo que, no caso de uma compressão por um fator de 10, os vapores não podem condensar na temperatura de operação da bomba. Ao bombear vapor de água, esse valor crítico é denominado "tolerância ao vapor de água".

Mostrado esquematicamente na Fig. 2.14 é o processo de bombeamento com e sem lastro de gás, como ocorre em uma bomba de palheta rotativa ao bombear vapores condensáveis.

Dois requisitos devem ser atendidos ao bombear vapores:
1) a bomba deve estar na temperatura de operação.
2) a válvula de lastro de gás deve estar aberta.
(Com a válvula de lastro de gás aberta, a temperatura da bomba aumenta cerca de 10 °C (50 °F). Antes de bombear vapores, a bomba deve ser operada por meia hora com a válvula de lastro de gás aberta).

Tabela XIII Pressão de saturação p5 e densidade de vapor de água eD em uma faixa de temperatura de -100 °C (-148 °F) a +140 °C (+284 °F)

Fig. 2.13 Processo de trabalho dentro de uma bomba de palheta rotativa com lastro de gás

1–2 Sucção
2–5 Compressão
3–4 Entrada do lastro de gás
5–6 Descarga

Fig. 2.14 Diagrama do processo de bombeamento em uma bomba de palheta rotativa sem e com dispositivo de lastro de gás ao bombear substâncias condensáveis.

a) Sem lastro de gás

1) A bomba está conectada ao reservatório, que já está quase sem ar (70 mbar) – deve, portanto, transportar principalmente partículas de vapor
2) A câmara da bomba é separada do reservatório – a compressão começa
3) O conteúdo da câmara da bomba já está tão comprimido que o vapor condensa para formar gotículas – a sobrepressão ainda não foi atingida
4) O ar residual só agora produz a sobrepressão necessária e abre a válvula de descarga, mas o vapor já condensou e as gotículas são precipitadas na bomba.

b) Com lastro de gás
1) A bomba está conectada ao reservatório, que já está quase sem ar (70 mbar) – deve, portanto, transportar principalmente partículas de vapor
2) A câmara da bomba é separada do reservatório – agora a válvula de lastro de gás, através da qual a câmara da bomba é preenchida com ar adicional de fora, abre – esse ar adicional é chamado de lastro de gás
3) A válvula de descarga é aberta e as partículas de vapor e gás são empurradas para fora – a sobrepressão necessária para que isso ocorra é atingida muito cedo devido ao ar do lastro de gás suplementar, pois no início de todo o processo de bombeamento não pode ocorrer condensação
4) A bomba descarrega mais ar e vapor

Bombeamento simultâneo de gases e vapores

Ao bombear simultaneamente gases permanentes e vapores condensáveis de um sistema de vácuo, a quantidade de gás permanente muitas vezes será suficiente para evitar qualquer condensação dos vapores dentro da bomba. A quantidade de vapor que pode ser bombeada sem condensação na bomba pode ser calculada da seguinte forma:

(2.1)

Onde: pvapor = é a pressão parcial de vapor na admissão da bomba.
p_perm = é a pressão total de todos os gases permanentes bombeados na admissão da bomba.
p_vapor,sat = é a pressão de saturação do vapor bombeado, dependendo da temperatura (ver Fig. 2.15).
p_sum = p_escape + Δp_válvula + Δp filtro de _escape
Δp_válvula = é a diferença de pressão na válvula de escape, que varia dependendo do tipo de bomba e das condições de operação, até 0,2 ... 0,4 bar.
Δp filtro de _escape = é a diferença de pressão em todo o filtro de escape num valor de 0 ... 0,5 bar.

Fig. 2.15 Pressões de vapor de saturação: tabela com temperaturas

Exemplo

Com uma bomba de palheta rotativa com um filtro de névoa de óleo externo em série, uma mistura de vapor de água e ar está sendo bombeada. Os seguintes valores são usados para aplicar na eq. (2.1):

A pressão do vapor de água na mistura de vapor de ar/água não deve exceder 23 % da pressão total da mistura.

Tolerância a vapor de água

Um caso especial importante, nas considerações gerais feitas acima, relacionadas ao tópico de tolerância ao vapor é o bombeamento de vapor de água. De acordo com o PNEUROP, a tolerância a vapor de água está definida da seguinte forma:

"A tolerância a vapor de água é a pressão mais alta na qual uma bomba de vácuo, sob temperaturas ambientes normais e condições de pressão (20 °C/68 °F, 1013 mbar), pode continuamente assumir e transportar vapor de água pura. É cotado em mbar". Ele é designado como P_W,O.

Aplicar a equação (2.3) a este caso especial significa:

(2.4)

Se para o gás de lastro de gás, for usado ar atmosférico de 50 % de umidade, então p_vapor, g.b. = 13 mbar; Com B/S = 0,10 – um valor usual na prática – e p_sum(pressão total de escape) = 1330 mbar, a tolerância a vapor de água p_W,0 em função da temperatura da bomba é representada pela curva mais baixa no diagrama Fig. 2.16. As outras curvas correspondem ao bombeamento de misturas vapor de água-ar, portanto, p_perm= p_aro), indicada pelo símbolo p_L em milibar. Nesses casos, uma quantidade maior de pressão parcial de vapor de água p_w pode ser bombeada conforme mostrado no diagrama. Os valores para p_W,0 fornecidos no catálogo, portanto, referem-se ao limite inferior e estão no lado seguro.

Fig. 2.16 Pressão parcial pw de vapor de água que pode ser bombeado com a válvula de lastro de gás aberta sem condensação na bomba, em função da temperatura da bomba para várias pressões parciais pL de ar. A curva mais baixa corresponde à tolerância a vapor de água pw,o da bomba.

Conforme a equação 2.4, um aumento no lastro de gás B resultaria em aumento da tolerância a vapor de água p_W,0. Na prática, um aumento em B, especialmente no caso de bombas de lastro de gás de estágio único, é restringido pelo fato de que o vácuo máximo atingível para uma bomba de lastro de gás operada com a válvula de lastro de gás aberta torna-se pior à medida que o lastro de gás B aumenta. Considerações semelhantes também se aplicam à equação geral 2.3 para a tolerância ao vapor p_vapor.

No início de um processo de bombeamento, a bomba de lastro de gás deve sempre ser operada com a válvula de lastro de gás aberta. Em quase todos os casos, uma fina camada de água estará presente na parede de um reservatório, que apenas evapora gradualmente. Para atingir pressões máximas baixas, a válvula de lastro de gás só deve ser fechada após o vapor ter sido bombeado para fora. As bombas da Leybold geralmente oferecem uma tolerância a vapor de água entre 33 e 66 mbar. As bombas de dois estágios podem oferecer outros níveis de tolerância a vapor de água correspondentes à taxa de compressão entre seus estágios, desde que possuam câmara de bombeamento de tamanhos diferentes.

Outros gases como lastro

Geralmente, o ar atmosférico é usado como meio de lastro de gás. Em casos especiais, ao bombear gases explosivos ou tóxicos, por exemplo, outros gases permanentes, como gases nobres ou nitrogênio, podem ser usados.

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