Como funciona uma bomba criogênica?
Como você deve ter observado, a água condensa na rede de água fria ou nas janelas e formas de gelo na unidade evaporadora em seu refrigerador. Este efeito da condensação de gases e vapores em superfícies frias - em particular vapor de água - como é conhecido na vida cotidiana, ocorre não apenas na pressão atmosférica, mas também no vácuo.
Esse efeito tem sido utilizado por longo tempo em condensadores, principalmente em ligação com processos químicos; anteriormente, o defletor nas bombas de difusão costumava ser resfriado com máquinas de refrigeração. Também em um espaço selado (câmara de vácuo), a formação de condensados numa superfície fria significa que muitas moléculas de gás são removidas do volume: elas permanecem localizadas na superfície fria e não participam mais da agitada atmosfera de gás dentro da câmara de vácuo. Dizemos então que as partículas foram bombeadas e falamos de bombas criogênicas quando o "efeito de bombeamento" é obtido por meio de superfícies frias.
A engenharia criogênica difere da engenharia de refrigeração porque as temperaturas envolvidas na engenharia de crio estão na faixa abaixo de 120 K (< -153 °C / -243.4 °F). Aqui estamos lidando com duas questões:
a) Qual princípio de resfriamento é usado na engenharia criogênica ou nas bombas criogênicas e como a carga térmica da superfície fria é retirada ou reduzida?
b) Quais são os princípios operacionais das bombas criogênicas?
Tipos de bombas criogênicas
Dependendo do princípio de resfriamento, é feita uma diferença entre
- Criostato de banho
- Bombas criogênicas de fluxo contínuo
- Bombas criogênicas de refrigerador
Criostatos de banho
No caso dos criostatos de banho – no caso mais simples, uma armadilha a frio preenchida com LN2(nitrogênio líquido) – a superfície de bombeamento é resfriada por contato direto com um gás liquefeito. Em uma superfície resfriada com LN2 (T ≈ 77 K) H2O e CO2 são capazes de condensar. Em uma superfície resfriada a ≈ 10 K, todos os gases, exceto He e Ne, podem ser bombeados por meio de condensação. Uma superfície resfriada com hélio líquido (T ≈ 4,2 K) é capaz de condensar todos os gases, exceto hélio.
Bombas criogênicas de fluxo contínuo
Em bombas criogênicas de fluxo contínuo, a superfície fria é projetada para operar como um trocador de calor. O hélio líquido em quantidade suficiente é bombeado por uma bomba auxiliar de um reservatório para o evaporador, a fim de atingir uma temperatura suficientemente baixa na superfície fria (painel criogênico).
O hélio líquido evapora no trocador de calor e, assim, resfria o painel criogênico. O gás residual que é gerado (He) é usado em um segundo trocador de calor para resfriar o defletor de uma proteção de radiação térmica que protege o sistema contra radiação térmica proveniente do exterior. O gás de escape de hélio frio ejetado pela bomba de hélio é fornecido para uma unidade de recuperação de hélio. A temperatura nos painéis criogênicos pode ser controlada controlando o fluxo de hélio.
Bombas criogênicas de refrigerador
Hoje, as bombas criogênicas de refrigerador estão sendo usados quase exclusivamente (frio sob demanda). Essas bombas operam basicamente da mesma forma que um refrigerador doméstico comum, em que os seguintes ciclos termodinâmicos usando hélio, como o refrigerante, podem ser empregados:
- Processo Gifford-McMahon
- Processo de Stirling
- Processo de Brayton
- Processo Claude
O processo Gifford-McMahon é usado principalmente hoje e esse processo é o que foi mais desenvolvido. Oferece a possibilidade de separar os locais da grande unidade do compressor e a unidade de expansão na qual o processo de refrigeração ocorre. Assim, uma fonte fria compacta e de baixa vibração pode ser projetada. A série de bombas criogênicas fabricada pela Leybold opera com cabeças frias de dois estágios de acordo com o processo Gifford-McMahon, que é discutido em detalhes a seguir.
Todo o escopo de uma bomba criogênica de refrigerador é mostrado na Fig. 2.65 e consiste na unidade do compressor (1) que está ligada através de linhas de pressão flexíveis (2) – e, portanto, sem vibrações – a bomba criogênica (3). A própria bomba criogênica consiste na carcaça da bomba e na cabeça fria dentro. O hélio é usado como o refrigerante que circula em um ciclo fechado com o auxílio do compressor.
2.65 Todos os itens de uma bomba criogênica de refrigerador.
- Unidade do compressor
- Linhas de pressão flexíveis
- Cold head (sem superfícies de condensação)
O cold head e o seu princípio de funcionamento
Dentro do cold head, um cilindro é dividido em dois espaços de trabalho V1 e V2 por um deslocador. Durante a operação, o espaço direito V1 está quente e o espaço esquerdo V2 está frio. Em uma frequência do deslocador, a potência de refrigeração W do refrigerador é: (2.26)
2,26
O deslocador é movido para frente e para trás pneumaticamente para que o gás seja forçado através do deslocador e, assim, através do regenerador localizado dentro do deslocador. O regenerador é um acumulador de calor com uma grande superfície e capacidade de troca de calor, que funciona como um trocador de calor dentro do ciclo. Descrito na Fig. 2.66 são as quatro fases de refrigeração em um cold head do refrigerador de um estágio, operando de acordo com o princípio Gifford-McMahon.
Fig. 2.66 Fases de refrigeração usando um cold head de estágio único operando de acordo com o processo Gifford-McMahon.
Fase 1:
O deslocador está no ponto morto esquerdo; V2 onde o frio é produzido tem seu tamanho mínimo. A válvula N permanece fechada, H é aberta. O gás na pressão pH flui através do regenerador para V2. Lá, o gás se aquece pelo aumento da pressão em V1.
Fase 2:
A válvula H permanece aberta, válvula N fechada: o deslocador se move para a direita e ejeta o gás de V1 através do regenerador para V2, onde esfria no regenerador frio; V2 tem seu volume máximo.
Fase 3:
A válvula H é fechada e a válvula N para o reservatório de baixa pressão é aberta. O gás se expande de pH para pN e, assim, esfria. Isso remove o calor das proximidades e é transportado com o gás em expansão para o compressor.
Fase 4:
Com a válvula N aberta, o deslocador desloca-se para a esquerda; o gás de V2 max flui através do regenerador, resfriando-o e, em seguida, flui para o volume V1 e para o reservatório de baixa pressão. Isso completa o ciclo.
Princípio de trabalho do cold head da Leybold GM
Take a look at this video to see how a cool head works in a cryopump
O cold head de dois estágios
As bombas criogênicas de refrigerador fabricadas em série da Leybold usam um cold head de dois estágios que opera de acordo com o princípio de Gifford-McMahon (consulte a Fig. 2.67). Em dois estágios conectados em série, a temperatura do hélio é reduzida para cerca de 30 K no primeiro estágio e mais para cerca de 10 K no segundo estágio. As baixas temperaturas alcançáveis dependem, entre outras coisas, do tipo de regenerador. Normalmente, o cobre bronze é usado no regenerador do primeiro estágio e chumbo no segundo estágio. Outros materiais estão disponíveis como regeneradores para aplicações especiais, como os criostatos para temperaturas extremamente baixas (T < 10 K). O projeto de um cold head de dois estágios é mostrado esquematicamente na Fig. 2.67. Através de um mecanismo de controle com uma válvula de controle acionada por motor (18) com disco de controle (17) e orifícios de controle, em primeiro lugar, a pressão no volume de controle (16) é alterada, o que faz com que os deslocadores (6) do primeiro estágio e do segundo estágio (11) se movam; imediatamente depois, a pressão em todo o volume do cilindro é equalizada pelo mecanismo de controle. O cold head é ligado por meio de linhas de pressão flexíveis ao compressor.
Fig. 2.67 Diagrama de um cold head de dois estágios.
- Conexões elétricas e alimentação de corrente para o motor no cold head
- Conexão de alta pressão He
- Conexão de baixa pressão He
- Cilindro, 1º estágio
- Deslocador, 1º estágio
- Regenerador, 1º estágio
- Volume de expansão, 1º estágio
- 1º estágio (refrigeração) (flange de cobre)
- Cilindro, 2º estágio
- Deslocador, 2º estágio
- Regenerador, 2º estágio
- Volume de expansão, 2º estágio
- 2º estágio (refrigeração) (flange de cobre)
- Câmara de medição da pressão de vapor
- Pistão de controle
- Volume de controle
- Disco de controle
- Válvula de controle
- Medidor para o termômetro de pressão de vapor de hidrogênio
- Motor no cold head
O projeto de bombas criogênicas de refrigerador
A Fig. 2.68 mostra o projeto de uma bomba criogênica. Ela é resfriada por um cold head de dois estágios. A proteção térmica contra radiação (5) com o defletor (6) está intimamente ligada termicamente ao primeiro estágio (9) do cold head. Para pressões abaixo de 10-3 mbar, a carga térmica é causada principalmente pela radiação térmica. Por esta razão, a segunda fase (7) com os painéis de condensação e de criossorção (8) está cercada pela proteção térmica contra radiação (5), que é preta no interior e polida, bem como revestido de níquel no exterior. Em condições sem carga, o defletor e a proteção térmica contra radiação (primeiro estágio) atingem uma temperatura entre 50 e 80 K nos painéis criogênicos e cerca de 10 K no segundo estágio. As temperaturas de superfície desses painéis criogênicos são decisivas para o processo de bombeamento real. Estas temperaturas de superfície dependem da potência de refrigeração fornecida pelo cold head e das propriedades de condução térmica na direção do revestimento da bomba. Durante a operação da bomba criogênica, a carga causada pelo gás e o calor da condensação resulta em um aquecimento adicional dos painéis criogênicos. A temperatura de superfície não depende apenas da temperatura do painel criogênico, mas também da temperatura do gás que já foi congelado no painel criogênico. Os painéis criogênicos (8) ligados ao segundo estágio (7) do cold head são revestidos com carvão ativado no interior, a fim de serem capazes de bombear gases que não se condensam facilmente e que só podem ser bombeados por criossorção (ver abaixo).
Fig. 2.68 Projeto de uma bomba criogênica de refrigerador (diagrama esquemático).
- Flange de alto vácuo
- Carcaça da bomba
- Flange de pré-vácuo
- Válvula de segurança para descarga de gás
- Proteção térmica contra radiação
- Defletor
- 2º estágio do cold head (≈10 K);
- Painéis criogênicos
- 1º estágio do cold head (≈ 50 – 80 K)
- Medidor para o termômetro de pressão de vapor de hidrogênio
- Conexões de gás hélio
- Motor do cold head com carcaça e conexões elétricas
Confira o vídeo abaixo para ver uma animação de bombeamento de uma bomba criogênica em ação
Leybold COOLVAC iCL
Ligação de gases em superfícies frias
A condutividade térmica dos gases condensados (sólidos) depende muito da sua estrutura e, portanto, da forma como os condensados são produzidos. Variações na condutividade térmica em várias ordens de grandeza são possíveis! À medida que o condensado aumenta em espessura, a resistência térmica e, portanto, a temperatura da superfície aumenta subsequentemente, reduzindo a velocidade de bombeamento. A velocidade máxima de bombeamento de uma bomba recentemente regenerada é declarada como sua velocidade nominal de bombeamento. O processo de ligação para os vários gases na bomba criogênica é realizado em três etapas: primeiro, a mistura de diferentes gases e vapores encontra o defletor, que está a uma temperatura de cerca de 80 K. Aqui, em sua maioria, o H2O e o CO2são condensados. Os gases remanescentes penetram no defletor e se chocam no exterior do painel criogênico do segundo estágio, que é resfriado a cerca de 10 K. Aqui, gases como N2, O2 ou ar se condensarão. Apenas H2, He e Ne permanecerão. Esses gases não podem ser bombeados pelos painéis criogênicos e passam após vários impactos com a proteção térmica contra radiação no interior desses painéis, que são revestidos com um adsorvente (painéis de criossorção), onde são ligados por criossorção. Assim, com o objetivo de considerar uma bomba criogênica, os gases são divididos em três grupos, dependendo das temperaturas dentro da bomba criogênica, sua pressão parcial cai abaixo de 10-9 mbar:
Uma diferença é feita entre os diferentes mecanismos de ligação da seguinte forma:
Condensação criogênica
A condensação criogênica é a ligação física e reversível das moléculas de gás através das forças de Van der Waals em superfícies suficientemente frias do mesmo material. A energia de ligação é igual à energia de vaporização do gás sólido ligado à superfície e, assim, diminui à medida que a espessura do condensado aumenta, assim como a pressão do vapor. A criossorção é a ligação física e reversível de moléculas de gás através das forças Van der Waals em superfícies suficientemente frias de outros materiais. A energia de ligação é igual ao calor de adsorção, que é maior que o calor de vaporização. Assim que uma monocamada é formada, as seguintes moléculas colidem em uma superfície do mesmo tipo (adsorvente) e o processo se transforma em criocondensação. A energia de ligação mais alta para a criocondensação impede o crescimento adicional da camada de condensados, restringindo assim a capacidade dos gases adsorvidos. No entanto, os adsorventes utilizados, como carvão ativado, gel de sílica, gel de alumina e peneira molecular, possuem uma estrutura porosa com áreas de superfície muito grandes e específicas de cerca de 106 m2/kg. A armadilha criogênica é entendida como a inclusão de um gás de baixo ponto de ebulição, que é difícil de bombear, como hidrogênio, na matriz de um gás com um ponto de ebulição mais alto e que pode ser bombeado facilmente, como ar, CH4 ou CO2. Na mesma temperatura, a mistura de condensados tem uma pressão de vapor de saturação que é, por várias ordens de grandeza, menor do que o condensado puro do gás com o ponto de ebulição mais baixo.
Considerando a posição dos painéis criogênicos na bomba criogênica, a condutância do flange de vácuo para essa superfície e também a sequência de bombeamento subtrativa (o que já condensou no defletor não pode chegar ao segundo estágio e consumir capacidade lá), a situação surge como mostrado na Fig. 2.69.
Fig. 2.69 Painéis criogênicos - temperatura e posição definem a eficiência na bomba criogênica.
Hidrogênio - vapor de água - nitrogênio
Condutância relacionada com a área do flange de admissão em l / s · cm2:
43,9 - 14,7 - 11,8
Velocidade de bombeamento relacionada à área da bomba criogênica em l / s · cm2:
13,2 - 14,6 - 7,1
Relação entre velocidade de bombeamento e condutância:
30% - 99% - 60%
As moléculas de gás que entram na bomba produzem a velocidade teórica de bombeamento relacionada à área, de acordo com a equação 2.29a com T = 293 K. As diferentes velocidades de bombeamento foram combinadas para três gases representativos H2, N2e H20 retirados de cada um dos grupos acima mencionados. Como o vapor de água é bombeado em toda a área de entrada da bomba criogênica, a velocidade de bombeamento medida para vapor de água corresponde quase exatamente à velocidade de bombeamento teórica calculada para o flange de admissão da bomba criogênica. O N2, por outro lado, deve primeiro superar o defletor antes de poder ser colado ao painel de criocondensação. Dependendo do projeto do defletor, 30 a 50 por cento de todas as moléculas de N2 são refletidas.
(2.29a)
O H2 chega aos painéis de criossorção após colisões adicionais e, portanto, resfriamento do gás. No caso de painéis criogênicos projetados de forma ideal e um bom contato com o carvão ativo de até 50% do H2que superou o defletor pode ser colado. Devido às restrições quanto ao acesso às superfícies de bombeamento e ao resfriamento do gás por colisões com as paredes dentro da bomba antes que o gás atinja a superfície de bombeamento, a velocidade de bombeamento medida para esses dois gases equivale apenas a uma fração da velocidade de bombeamento teórica. A parte que não é bombeada é refletida principalmente pelo defletor. Além disso, a probabilidade de adsorção para H2 difere entre os vários adsorventes e é < 1, enquanto as probabilidades de condensação do vapor de água e N2 ≈ 1.
Três capacidades diferentes de uma bomba para os gases que podem ser bombeados resultam do tamanho das três superfícies (defletor, superfície de condensação na parte externa do segundo estágio e superfície de sorção no interior do segundo estágio). No projeto de uma bomba criogênica, assume-se uma composição média de gás (ar) que, naturalmente, não se aplica a todos os processos de vácuo (processos de pulverização catódica, por exemplo. Consulte "Regeneração parcial", abaixo.)
Quantidades características de uma bomba criogênica
As quantidades características de uma bomba criogênica são as seguintes (em nenhuma ordem específica):
- Tempo de resfriamento
- Valor de cruzamento
- Pressão máxima
- Capacidade
- Energia de refrigeração e energia de refrigeração líquida
- Tempo de regeneração
- Rendimento e fluxo máximo pV
- Velocidade de bombeamento
- Vida útil ou duração da operação
- Pressão inicial
Tempo de resfriamento
O tempo de resfriamento das bombas criogênicas é o intervalo de tempo desde a inicialização até que o efeito de bombeamento seja definido. No caso de bombas criogênicas de refrigerador, o tempo de resfriamento é expresso como o tempo que leva para o segundo estágio do cold head esfriar de 293 K para 20 K.
Valor de cruzamento
O valor de cruzamento é uma quantidade caraterística de uma bomba criogênica de refrigerador já fria. É importante quando a bomba está conectada a uma câmara de vácuo por meio de uma válvula de HV / UHV. O valor de cruzamento é a quantidade de gás com relação a Tn=293 K que a câmara de vácuo pode conter ao máximo, de modo que a temperatura dos painéis criogênicos não aumente acima de 20 K devido ao estouro de gás ao abrir a válvula. O valor de cruzamento é geralmente expresso como um valor pV em mbar · l.
O valor de cruzamento e o volume da câmara V resultam na pressão de cruzamento pc para a qual a câmara de vácuo deve ser evacuada primeiro antes de abrir a válvula que leva a bomba criogênica. Os itens a seguir podem servir como um guia:
(2.27)
V = Volume da câmara de vácuo (l),
Q2(20K) = capacidade líquida de refrigeração em Watts, disponível no segundo estágio do cold head em 20 K.
Pressão máxima pend
Para o caso de criocondensação (consulte "Ligação de gases em superfícies frias", acima), a pressão máxima pode ser calculada da seguinte forma:
(2.28)
pS é a pressão de vapor de saturação do gás ou gases que devem ser bombeados à temperatura TK do painel criogênico e TG é a temperatura do gás (temperatura da parede nas proximidades do painel criogênico).
Exemplo: com o auxílio das curvas de pressão de vapor na Fig. 9.15 para H2 e N2, as pressões máximas resumidas na Tabela 2.6 em TG = resultado de 300 K.
Fig. 9.15 Pressão de vapor de saturação ps de várias substâncias relevantes para a tecnologia criogênica em uma faixa de temperatura de T = 2 – 80 K.
A tabela mostra que para hidrogênio em temperaturas T < 3 K a uma temperatura de gás de TG= 300 K (ou seja, quando o painel criogênico é exposto à radiação térmica da parede) pressões máximas suficientemente baixas podem ser atingidas. Devido a uma série de fatores de interferência, como dessorção da parede e vazamentos, as pressões teóricas máximas não são atingidas na prática.
Tabela 2.6 Temperaturas máximas a uma temperatura de parede de 300 K
Capacidade C (mbar · l)
A capacidade de uma bomba criogênica para um determinado gás é a quantidade de gás (valor pV em Tn = 293 K) que pode ser ligada pelos painéis criogênicos antes que a velocidade de bombeamento para este tipo de gás G caia abaixo de 50% do seu valor inicial.
A capacidade de gases bombeados por meio de criossorção depende da quantidade e das propriedades do agente de sorção; depende da pressão e, geralmente, de várias ordens de magnitude mais baixas em comparação com a capacidade independente de pressão para gases que são bombeados por meio de criocondensação.
Potência de refrigeração Q . (W)
O poder de refrigeração de uma fonte de refrigeração a uma temperatura T fornece a quantidade de calor que pode ser extraída pela fonte de refrigeração, enquanto ainda mantém essa temperatura. No caso de refrigeradores, foi acordado declarar para cold heads de estágio único a energia de refrigeração a 80 K e para cold heads de dois estágios a energia de refrigeração para o primeiro estágio a 80 K e para o segundo estágio a 20 K ao carregar simultaneamente ambos os estágios termicamente. Durante a medição da potência de refrigeração, a carga térmica é gerada pelos aquecedores elétricos. A potência de refrigeração é maior à temperatura ambiente e é mais baixa (Zero) à temperatura máxima.
Potência líquida de refrigeração Q . (W)
No caso das bombas criogênicas de refrigeradores, a potência líquida de refrigeração disponível nas temperaturas operacionais usuais (T1 < 80 K, T2 < 20 K) define substancialmente o rendimento e o valor de cruzamento. A potência líquida de refrigeração é – dependendo da configuração da bomba – muito mais baixa do que a potência de refrigeração do cold head usada sem a bomba.
Fluxo pV
Consulte a página sobre Tipos de fluxo
Tempo de regeneração
Como um dispositivo de armadilha de gás, a bomba criogênica deve ser regenerada após um determinado período de operação. A regeneração envolve a remoção de gases condensados e adsorvidos dos painéis criogênicos por aquecimento. A regeneração pode ser executada total ou parcialmente e difere principalmente pela forma como os painéis criogênicos são aquecidos.
No caso da regeneração total, é feita uma diferença entre:
- Aquecimento natural: depois de desligar o compressor, os painéis criogênicos primeiro aquecem muito lentamente por condução térmica e depois, adicionalmente, pelos gases liberados.
- Método de gás de purga: a bomba criogênica é aquecida pela admissão de gás de purga quente.
- Aquecedores elétricos: Os painéis criogênicos da bomba criogênica são aquecidos por aquecedores no primeiro e segundo estágios. Os gases liberados são descarregados através de uma válvula de sobrepressão (método de gás de purga) ou por bombas de apoio mecânicas. Dependendo do tamanho da bomba, será necessário esperar um tempo de regeneração de várias horas.
Regeneração parcial
Como a limitação da vida útil de uma bomba criogênica depende, na maioria das aplicações, do limite de capacidade para os gases nitrogênio, argônio e hidrogênio bombeados pelo segundo estágio, muitas vezes será necessário regenerar apenas esse estágio. O vapor de água é retido durante a regeneração parcial pelo defletor. Para isso, a temperatura do primeiro estágio deve ser mantida abaixo de 140 K ou, de outra forma, a pressão parcial do vapor de água se tornaria tão alta que as moléculas de água contaminariam o adsorvente no segundo estágio.
Em 1992, a Leybold foi a primeira fabricante de bombas criogênicas a desenvolver um método que permitia uma regeneração parcial. Esse processo de regeneração rápida é controlado por microprocessador e permite uma regeneração parcial da bomba criogênica em cerca de 40 minutos, em comparação com 6 horas necessárias para uma regeneração total com base no método de gás de purga. Uma comparação entre os ciclos típicos para a regeneração total e parcial é mostrada na Fig. 2.70. O tempo economizado pelo sistema de regeneração rápida é aparente. Em um ambiente de produção para processos típicos de pulverização catódica, será necessário esperar uma regeneração total após 24 regenerações parciais.
Fig. 2.70 Comparação entre a regeneração total (1) e parcial (2)
Rendimento e fluxo pV máximo: (mbar l/s)
O rendimento de uma bomba criogênica para um determinado gás depende do fluxo pV do gás G através da abertura de admissão da bomba:
QG = qpV,G; aplica-se a seguinte equação
QG = pG · SG com
pG = pressão de admissão,
SG = capacidade de bombeamento para o gás G
O fluxo máximo pV em que os painéis criogênicos são aquecidos até T ≈ 20 K no caso de operação contínua depende da potência de refrigeração líquida da bomba a esta temperatura e do tipo de gás. Para bombas criogênicas de refrigerador e gases condensáveis, pode ser considerado como um guia:
Q.2 (20 K) é a potência líquida de refrigeração em Watts disponível no segundo estágio do cold head a 20 K. No caso de operação intermitente, é permitido um fluxo pV mais alto (ver valor de cruzamento).
Velocidade de bombeamento Sth
O seguinte se aplica à velocidade de bombeamento (teórica) de uma bomba criogênica:
(2.29)
AK - tamanho dos painéis criogênicos
SA - velocidade de bombeamento relacionada à área da superfície (taxa de impacto relacionada à área de acordo com as equações 1.17 e 1.20, proporcional à velocidade média das moléculas de gás na direção do painel criogênico).
α - probabilidade de condensação (bombeamento)
pend - pressão máxima (veja acima)
p - pressão na câmara de vácuo
(1.17)
(1.20)
A equação (2.29) se aplica a um painel criogênico integrado à câmara de vácuo, a área de superfície é pequena em comparação com a superfície da câmara de vácuo. Em temperaturas suficientemente baixas α = 1 para todos os gases. A equação (2.29) mostra que para p >> pend, a expressão entre colchetes se aproxima de 1, de modo que, no caso supersaturado p >> pend > Ps, de modo que:
(2.29a)
TG - temperatura do gás em K
M - massa molar
Dada na Tabela 2.7 é a velocidade de bombeamento relacionada à área de superfície SA em l · s-1 · cm-2 para alguns gases em duas temperaturas de gás diferentes TG em K, determinadas conforme a equação 2.29a. Os valores apresentados na Tabela são valores limite. Na prática, a condição de um equilíbrio quase sem perturbações (pequenos painéis criogênicos em comparação com uma grande superfície de parede) muitas vezes não é verdadeira, porque grandes painéis criogênicos são necessários para atingir tempos de bombeamento curtos e um bom vácuo final. Desvios também ocorrem quando os painéis criogênicos são cercados por um defletor resfriado no qual a velocidade das moléculas penetrantes já é reduzida pelo resfriamento.
Tabela 2.7 Velocidades de bombeamento relacionadas à superfície para alguns gases
Vida útil ou duração da operação: topo (s)
A duração da operação da bomba criogênica para um determinado gás depende da equação:
com
CG = capacidade da bomba criogênica para o gás G
QG(t) = rendimento da bomba criogênica para o gás no ponto de tempo t
Se a média constante ao longo do tempo para o rendimento QG for conhecida, isso se aplica:
(2.30)
Após o período de operação top,G ter decorrido, a bomba criogênica deve ser regenerada em relação ao tipo de gás G.
Pressão de arranque po
Basicamente, é possível iniciar uma bomba criogênica à pressão atmosférica. No entanto, isso não é desejável por várias razões. Desde que o caminho livre médio das moléculas de gás seja menor do que as dimensões da câmara de vácuo (p > 10-3 mbar), a condutividade térmica do gás é tão alta que uma quantidade inaceitavelmente grande de calor é transferida para os painéis criogênicos. Além disso, uma camada relativamente espessa de condensação se formaria no painel criogênico durante a partida. Isso reduziria acentuadamente a capacidade da bomba criogênica disponível para a fase operacional real. O gás (geralmente ar) seria ligado ao adsorvente, pois a energia de ligação para isso é menor do que para as superfícies de condensação. Isso reduziria ainda mais a capacidade já limitada de hidrogênio. Recomenda-se que as bombas criogênicas na faixa de alto vácuo ou ultra-alto vácuo sejam iniciadas com o auxílio de uma bomba de apoio a pressões de p < 5 · 10-2 mbar. Assim que a pressão de arranque for atingida, a bomba de apoio pode ser desligada.
Fundamentos da tecnologia de vácuo
Faça o download do nosso e-book "Fundamentals of Vacuum Technology" para descobrir os processos e os fundamentos da bomba de vácuo.
Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
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
