Basicamente, surgem duas questões independentes sobre o tamanho de um sistema a vácuo:
A velocidade efetiva de bombeamento de um arranjo de bomba é entendida como a velocidade real de bombeamento de todo o arranjo de bombas que prevalece no reservatório. A velocidade nominal de bombeamento da bomba pode então ser determinada a partir da velocidade efetiva de bombeamento se a resistência de fluxo (condutâncias) dos defletores, armadilhas a frio, filtros, válvulas e tubulações instaladas entre a bomba e o reservatório forem conhecidas (ver página sobre condutância). Na determinação da velocidade nominal de bombeamento necessária, assume-se ainda que o sistema de vácuo seja estanque; portanto, a taxa de vazamento deve ser tão pequena que os gases que fluem para fora são imediatamente removidos pelo arranjo de bombas conectado e a pressão no reservatório não se altera (para mais detalhes, consulte Detecção de vazamento). As questões listadas acima em 1., 2. e 3. são caraterísticas para os três exercícios mais essenciais da tecnologia de vácuo
A evacuação inicial de uma câmara de vácuo é influenciada nas regiões de médio, alto e ultra-alto vácuo pela evolução contínua das quantidades de gás, porque nessas regiões a fuga de gases e vapores das paredes do reservatório é tão significativa que, por si só, determinam as dimensões e o layout do sistema de vácuo.
Devido aos fatores descritos acima, uma avaliação do tempo de bombeamento deve ser basicamente diferente para a evacuação de um recipiente na região de vácuo parcial da evacuação nas regiões de médio e alto vácuo.
Neste caso, a velocidade efetiva de bombeamento necessária Seff, de um conjunto de bomba de vácuo depende apenas da pressão necessária p, do volume V do recipiente e do tempo de bombeamento t.
Com velocidade de bombeamento constante Seff e assumindo que a pressão final pend atingível com o arranjo da bomba é tal que pend << p, a diminuição com o tempo da pressão p(t) em uma câmara é dada pela equação:
(2,32)
Começando em 1013 mbar no tempo t = 0, a velocidade efetiva de bombeamento é calculada dependendo do tempo de bombeamento t da equação (2.32), como segue:
(2.33a)
(2.33b)
(2,34)
Apresentação do fator sem adimensional
(2.34a)
na equação (2.34), a relação entre a velocidade efetiva de bombeamento Seff e o tempo de bombeamento t é dada por
(2.35)
A relação V/Seff é geralmente designada como uma constante de tempo τ. Assim, o tempo de bombeamento de uma câmara de vácuo da pressão atmosférica para uma pressão p é dado por:
(2.36)
A dependência do fator da pressão desejada é mostrada na Fig. 2.75. Deve-se notar que a velocidade de bombeamento das bombas de pistão rotativo e de palhetas rotativas de estágio único diminui para menos de 10 mbar com lastro de gás e para menos de 1 mbar sem lastro de gás. Esse comportamento fundamental é diferente para bombas de vários tamanhos e tipos, mas não deve ser ignorado na determinação da dependência do tempo de bombeamento em relação ao tamanho da bomba. Deve-se ressaltar que as equações (2.32 a 2.36), bem como a Fig. 2.75 só se aplicam quando a pressão máxima obtida com a bomba utilizada é várias ordens de magnitude inferior à pressão desejada.
Fig. 2.75 Dependência do fator adimensional s para cálculo do tempo de bombeamento t de acordo com a equação 2.36. A linha tracejada se aplica a bombas de estágio único em que a velocidade de bombeamento diminui abaixo de 10 mbar.
Exemplo: uma câmara de vácuo com um volume de 500 l deve ser bombeada para 1 mbar em 10 minutos. Qual velocidade efetiva de bombeamento é necessária?
500 l = 0,5 m3; 10 min = 1/6 h.
De acordo com a equação (2.34), segue-se:
Para o exemplo dado acima, lê-se o valor de 7 da linha reta na Fig. 2.75. No entanto, a partir da linha tracejada, um valor de 8 é lido. De acordo com a equação (2.35), obtém-se o seguinte:
considerando o fato de que a velocidade de bombeamento é inferior a 10 mbar. A velocidade efetiva de bombeamento necessária, portanto, equivale a 24 m3/h.
É consideravelmente mais difícil fornecer fórmulas gerais para uso na região de alto vácuo. Como o tempo de bombeamento para atingir uma determinada pressão de alto vácuo depende essencialmente da evolução do gás das superfícies internas da câmara, a condição e o pré-tratamento dessas superfícies são de grande importância na tecnologia de vácuo. Em nenhuma circunstância o material usado deve apresentar regiões porosas ou, particularmente em relação ao aquecimento, conter cavidades; as superfícies internas devem ser as mais lisas possível (superfície verdadeira = superfície geométrica) e completamente limpas (e desengorduradas). A evolução do gás varia muito com a escolha do material e da condição da superfície. Os dados úteis são coletados na Tabela X.
A evolução do gás pode ser determinada experimentalmente apenas caso a caso pelo método de aumento de pressão: o sistema é evacuado o mais completamente possível e, finalmente, a bomba e a câmara são isoladas por uma válvula. Agora, o tempo é medido para que a pressão dentro da câmara (volume V) aumente em uma determinada quantidade, por exemplo, uma potência de 10. A quantidade de gás Q que surge por unidade de tempo é calculada a partir de:
(2.37)
(ΔP = aumento da pressão medida)
A quantidade de gás Q consiste na soma de toda a evolução do gás e de todos os vazamentos possivelmente presentes. Se é da evolução do gás ou do vazamento pode ser determinado pelo seguinte método:
A quantidade de gás resultante da evolução do gás deve diminuir com o tempo, a quantidade de gás que entra no sistema por vazamento permanece constante com o tempo. Experimentalmente, esta distinção nem sempre é feita com facilidade, pois muitas vezes leva um tempo considerável – com a evolução do gás puro – antes que a curva pressão-tempo medida se aproxime de um valor máximo constante (ou quase constante); assim, o início dessa curva segue uma linha reta por longos períodos e, portanto, simula vazamento (consulte Detecção de vazamento).
Se a evolução do gás Q e a pressão necessária pend forem conhecidas, é fácil determinar a velocidade efetiva de bombeamento necessária:
(2.38)
Exemplo: Uma câmara de vácuo de 500 l pode ter uma superfície total (incluindo todos os sistemas) de cerca de 5 m2. Assume-se uma evolução constante do gás de 2 · 10-4 mbar · l/s por m2de área de superfície. Este é um nível esperado quando as válvulas ou passagens rotativas, por exemplo, estão ligadas à câmara de vácuo. Para manter no sistema uma pressão de 1 · 10-5 mbar, a bomba deve ter uma velocidade de bombeamento de
Uma velocidade de bombeamento de apenas 100 l/s é necessária para bombear continuamente a quantidade de gás que flui através dos vazamentos ou que evolui das paredes da câmara. Aqui, o processo de evacuação é semelhante aos exemplos apresentados na seção sobre vácuo parcial acima. No entanto, no caso de uma bomba de difusão, o processo de bombeamento não começa na pressão atmosférica, mas na pressão de pré-vácuo pv. Então, a equação (2.34) se transforma em:
A uma pressão de retorno de pV= 2 · 10-3 mbar a "compressão" K está no nosso exemplo:
A fim de atingir uma pressão máxima de 1 · 10-5 mbar dentro de 5 minutos após o início do bombeamento com a bomba de difusão, uma velocidade efetiva de bombeamento de
é necessário. Isto é muito menos comparado com a velocidade efetiva de bombeamento necessária para manter a pressão máxima. O tempo de bombeamento e o vácuo máximo nas faixas de alto vácuo e ultra-alto vácuo dependem principalmente da taxa de evolução do gás e das taxas de vazamento.
Na região de vácuo parcial, o volume do reservatório é decisivo para o tempo envolvido no processo de bombeamento. No entanto, nas regiões de alto e ultra-alto vácuo, a evolução do gás das paredes tem um papel significativo. Na região do médio vácuo, o processo de bombeamento é influenciado por ambas as quantidades. Além disso, na região do médio vácuo, particularmente com bombas rotativas, a pressão máxima atingível em espera não é mais desprezível. Se a quantidade de gás que entra na câmara for conhecida por estar a uma taxa Q (em milibares litro por segundo) da evolução do gás das paredes e do vazamento, a equação diferencial (2.32) para o processo de bombeamento se torna
(2.39)
A integração dessa equação leva a
(2.40)
onde
p0 é a pressão no início do processo de bombeamento
p é a pressão desejada
Em contraste com a equação 2.33b, esta equação não permite uma solução definitiva para Seff, portanto, a velocidade efetiva de bombeamento para uma evolução conhecida do gás não pode ser determinada a partir da curva tempo-pressão sem informações adicionais.
Na prática, portanto, o seguinte método determinará uma bomba com velocidade de bombeamento suficientemente alta:
a) A velocidade de bombeamento é calculada a partir da equação 2.34 como resultado do volume da câmara sem evolução do gás e do tempo de bombeamento desejado.
b) Encontra-se o quociente da taxa de evolução do gás e essa velocidade de bombeamento. Este quociente deve ser menor que a pressão necessária; por segurança, deve ser cerca de dez vezes menor. Se essa condição não for atendida, uma bomba com velocidade de bombeamento correspondentemente maior deve ser escolhida.
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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
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, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo