Como funcionam as bombas de vácuo de jato de vapor?
Uma introdução às bombas de controle de fluido
É feita uma distinção entre bombas ejetoras, tais como bombas de jato de água (17 mbar < p < 1013 mbar), bombas de vácuo ejetoras de vapor (10-3mbar < p < 10-1mbar) ebombas de difusão (p < 10-3mbar). As bombas de vácuo ejetoras são usadas principalmente para a produção de vácuo médio. As bombas de difusão produzem alto e ultra-alto vácuo. Ambos os tipos operam com um fluxo rápido de fluido da bomba em forma de vapor ou líquido (jato de água, vapor de água, óleo ou vapor de mercúrio). O mecanismo de bombeamento de todas as bombas de controle de fluido é basicamente o mesmo. As moléculas de gás bombeadas são removidas do reservatório e entram no fluxo de fluido da bomba, que se expande após passar por um bocal. As moléculas do fluxo de fluido da bomba são transferidas por meio de impulsos de impacto para as moléculas de gás na direção do fluxo. Assim, o gás que deve ser bombeado é movido para um espaço com uma pressão mais alta.
Nas bombas de controle de fluido, as pressões de vapor correspondentes surgem durante a operação, dependendo do tipo de fluido da bomba e da temperatura, bem como do design do bocal. No caso de bombas de difusão de óleo, isso pode chegar a 1 mbar na câmara de ebulição. A pressão de apoio na bomba deve ser baixa o suficiente para permitir que o vapor flua. Para garantir isso, essas bombas exigem bombas de apoio correspondentes, principalmente do tipo mecânico. O jato de vapor não pode entrar no reservatório, pois condensa nas paredes externas resfriadas da bomba após ter sido ejetado pelo bocal.
Princípio de funcionamento das bombas de controle de fluido
Wolfgang Gaede foi o primeiro a perceber que gases a uma pressão relativamente baixa podem ser bombeados com o auxílio de um fluxo de fluido de bomba de pressão essencialmente mais alta e que, portanto, as moléculas de gás de uma região de baixa pressão total se movem para uma região de alta pressão total. Essa situação aparentemente paradoxal se desenvolve à medida que o fluxo de vapor é inicialmente totalmente isento de gás, de modo que os gases de uma região de maior pressão parcial de gás (o reservatório) possam se difundir numa região de menor pressão parcial de gás (o fluxo de vapor). Este conceito básico de Gaede foi usado por Langmuir (1915) na construção da primeira bomba de difusão moderna. As primeiras bombas de difusão foram bombas de difusão de mercúrio feitas de vidro, depois de metal. Nos anos 60, o mercúrio como meio foi quase completamente substituído pelo óleo. Para obter uma velocidade de fluxo de vapor o mais alta possível, ele permitiu que o fluxo de vapor emanasse de um bocal com velocidade supersônica. O vapor de fluido da bomba, que constitui o jato de vapor, é condensado na parede resfriada da carcaça da bomba, enquanto o gás transportado é ainda mais comprimido, geralmente em um ou mais estágios sucessivos, antes de ser removido pela bomba de apoio. As taxas de compressão, que podem ser obtidas com bombas de controle de fluido, são muito altas: se houver uma pressão de 10-9 mbar na porta de entrada da bomba de controle de fluido e uma pressão de apoio de 10-2 mbar, o gás bombeado é comprimido por um fator de 107!
Tipos de bombas de controle de fluido
A pressão máxima das bombas de controle de fluido é restrita pelo valor da pressão parcial do fluido usado na temperatura de operação da bomba. Na prática, tenta-se melhorar isso introduzindo defletores ou armadilhas a frio. Estes são "condensadores" entre a bomba de controle de fluido e a câmara de vácuo, de modo que a pressão máxima que pode ser atingida na câmara de vácuo é agora limitada apenas pela pressão parcial do fluido à temperatura do defletor.
Os vários tipos de bombas de controle de fluido são essencialmente distinguidos pela densidade do fluido da bomba na saída do bocal superior voltado para o lado de alto vácuo da bomba:
- Baixa densidade de vapor: Bombas de difusão, incluindo bombas de difusão de óleo e bombas de difusão de mercúrio
- Alta densidade de vapor: Bombas de jato de vapor, incluindo bombas de vapor de água, bombas de jato de vapor de óleo e bombas de jato de vapor de mercúrio
- Bombas de jato de vapor/difusão de óleo combinadas
- Bombas a jato de água
Princípio de funcionamento das bombas ejetoras de vapor de óleo
A ação de bombeamento de um estágio ejetor de vapor é explicada com o auxílio da Fig. 2.46. O fluido da bomba entra sob alta pressão p1 no bocal (1), construído como um bocal Laval. Lá, ele é expandido para a pressão de entrada p2. Nessa expansão, a mudança repentina de energia é acompanhada por um aumento da velocidade. Consequentemente, o jato de vapor de fluido da bomba acelerado flui através da região do misturador (3), que está conectada ao reservatório (4) que está sendo evacuado. Aqui, as moléculas de gás que emergem do reservatório são arrastadas junto com o jato de vapor. A mistura, vapor de fluido da bomba - gás, agora entra no bocal difusor construído como um bocal Venturi (2). Aqui, a mistura de vapor e gás é comprimida até a pressão de apoio p3com diminuição simultânea da velocidade. O vapor do fluido da bomba é então condensado nas paredes da bomba, enquanto o gás retido é removido pela bomba de apoio.
Fig. 2.46 Funcionamento de uma bomba de jato de vapor.
- Bocal (Laval)
- Bocal difusor (Venturi)
- Câmara de mistura
- Conexão com a câmara de vácuo
As bombas ejetoras de vapor de óleo são ideais para o bombeamento de grandes quantidades de gás ou vapor na região de pressão entre 1 e 10-3 mbar. A maior densidade do fluxo de vapor nos bocais garante que a difusão do gás bombeado no fluxo de vapor ocorra muito mais lentamente do que em bombas de difusão, de modo que apenas as camadas externas do fluxo de vapor sejam permeadas por gás. Além disso, a superfície através da qual ocorre a difusão é muito menor devido à construção especial dos bocais. A velocidade de bombeamento específica das bombas ejetoras de vapor é, portanto, menor que a das bombas de difusão. Como o gás bombeado nas proximidades do jato sob a pressão de entrada essencialmente mais alta influencia decisivamente o curso das linhas de fluxo, as condições ideais são obtidas apenas em determinadas pressões de entrada. Portanto, a velocidade de bombeamento não permanece constante para baixas pressões de entrada. Como consequência da alta velocidade e densidade do fluxo de vapor, as bombas ejetoras de vapor de óleo podem transportar gases contra uma pressão de apoio relativamente alta. Sua pressão de apoio crítica está em alguns milibares. As bombas ejetoras de vapor de óleo utilizadas na tecnologia de vácuo atual possuem, em geral, uma ou mais etapas de difusão e várias etapas de ejetoras subsequentes. O sistema de bocais do booster é construído a partir de dois estágios de difusão e dois estágios do ejetor em cascata (consulte a Fig. 2.47). As fases de difusão proporcionam uma velocidade de bombeamento elevada entre 10-4 e 10-3 mbar (ver Fig. 2.48), os estágios ejetores, o alta produtividade de gás em altas pressões (consulte a Fig. 2.49) e a alta pressão crítica de apoio. A insensibilidade à poeira e vapores dissolvidos no fluido da bomba é obtida por uma caldeira espaçosa e um grande reservatório de fluido da bomba. Grandes quantidades de impurezas podem ser contidas na caldeira sem deterioração das caraterísticas de bombeamento.
Fig. 2.47 Diagrama de uma bomba de jato de óleo (booster).
Fig. 2.48 Velocidade de bombeamento de várias bombas de vapor em função da pressão de admissão em relação à uma velocidade de bombeamento nominal de 1000 l/s. Extremidade da faixa de trabalho das bombas ejetoras de vapor de óleo (A) e bombas de difusão (B)
Fig. 2.49 Velocidade de várias bombas de vapor (derivadas da Fig. 2.48)
Bombas de jato de água e ejetores de vapor
Incluídas na classe das bombas de controle de fluido, não são apenas bombas que usam vapor de fluxo rápido como o fluido de bomba, mas também bombas de jato líquido. As bombas de vácuo mais simples e mais baratas são bombas de jato de água. Como em uma bomba de vapor (consulte a Fig. 2.46 ou 2.51), o fluxo de líquido é primeiro liberado de um bocal e depois, devido à turbulência, mistura-se com o gás bombeado na câmara de mistura. Finalmente, o movimento da mistura de água e gás é reduzido em um tubo Venturi. A pressão total máxima em um recipiente que é bombeado por uma bomba de jato de água é determinada pela pressão de vapor da água e, por exemplo, a uma temperatura da água de 15 °C (59 °F) equivale a cerca de 17 mbar.
Fig. 2.46 Funcionamento de uma bomba de jato de vapor.
- Bocal (Laval)
- Bocal difusor (Venturi)
- Câmara de mistura
- Conexão com a câmara de vácuo
Fig. 2.51 Representação esquemática da operação de uma bomba ejetora de vapor.
- Entrada de vapor
- Bocal ejetor
- Difusor
- Região de mistura
- Conexão com a câmara de vácuo
Velocidades de bombeamento essencialmente mais altas e pressões máximas mais baixas são produzidas por bombas ejetoras de vapor. A seção através de um estágio é mostrada na Fig. 2.51. As marcações correspondem às indicadas na Fig. 2.46. Na prática, vários estágios de bombeamento são normalmente montados em cascata. Para trabalhos de laboratório, as combinações de bombas de dois estágios são adequadas e consistem em um estágio ejetor de vapor e um estágio de jato de água (apoio), ambos feitos de vidro. O estágio de apoio do jato de água permite a operação sem outras bombas de apoio. Com a ajuda de um fluxo de vapor em sobrepressão, a câmara de vácuo pode ser evacuada para uma pressão máxima de cerca de 3 mbar. A condensação do vapor é conduzida através do equipamento de drenagem. O estágio do jato de água dessa bomba é resfriado com água para aumentar sua eficiência. As bombas ejetoras de vapor são especialmente adequadas para trabalhos em laboratórios, especialmente se vapores muito agressivos forem bombeados. As bombas ejetoras de vapor, que funcionarão a uma pressão de alguns milibares, são especialmente recomendadas para bombear aparelhos de destilação laboratorial e plantas semelhantes, quando a pressão de uma bomba de jato de água simples for insuficiente. Nesse caso, o uso de bombas rotativas não seria econômico.
Limitações das bombas de jato de água
Apesar de seus baixos custos de investimento, as bombas de jato de água e os ejetores de vapor estão sendo cada vez mais substituídos nos laboratórios por bombas de diafragma por causa dos problemas ambientais do uso da água como fluido de bomba. O solvente que entra na água só pode ser removido novamente através de métodos de limpeza complexos (destilação).
Fundamentos da tecnologia de vácuo
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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
