Una bomba de vacío es un tipo de dispositivo de bomba que extrae partículas de gas de un volumen sellado para dejar un vacío parcial . La primera bomba de vacío fue inventada en 1650 por Otto von Guericke , y fue precedida por la bomba de succión, que data de la antigüedad. [1]
La predecesora de la bomba de vacío fue la bomba de succión. En la ciudad de Pompeya se encontraron bombas de succión de doble acción . [2] El ingeniero árabe Al-Jazari describió más tarde las bombas de succión de doble acción como parte de las máquinas elevadoras de agua en el siglo XIII. También dijo que en los sifones se utilizaba una bomba de succión para descargar el fuego griego . [3] La bomba de succión apareció más tarde en la Europa medieval a partir del siglo XV. [3] [4] [5]
En el siglo XVII, los diseños de las bombas de agua habían mejorado hasta el punto de producir vacíos mensurables, pero esto no se entendió de inmediato. Lo que se sabía era que las bombas de succión no podían extraer agua más allá de cierta altura: 18 yardas florentinas según una medición tomada alrededor de 1635, o alrededor de 34 pies (10 m). [6] Este límite era una preocupación en los proyectos de riego, drenaje de minas y fuentes de agua decorativas planificados por el duque de Toscana , por lo que el duque encargó a Galileo Galilei que investigara el problema. Galileo sugirió, incorrectamente, en sus Dos nuevas ciencias (1638) que la columna de una bomba de agua se rompería por su propio peso cuando el agua se hubiera elevado a 34 pies. [6] Otros científicos aceptaron el desafío, incluido Gasparo Berti , quien lo replicó construyendo el primer barómetro de agua en Roma en 1639. [7] El barómetro de Berti produjo un vacío sobre la columna de agua, pero no pudo explicarlo. Evangelista Torricelli , alumno de Galileo, logró un gran avance en 1643. Basándose en las notas de Galileo, construyó el primer barómetro de mercurio y escribió un argumento convincente de que el espacio en la parte superior era un vacío. Luego se limitó la altura de la columna al peso máximo que podía soportar la presión atmosférica; esta es la altura límite de una bomba de succión. [8]
En 1650, Otto von Guericke inventó la primera bomba de vacío. [9] Cuatro años más tarde, llevó a cabo su famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo , demostrando que equipos de caballos no podían separar dos hemisferios de los cuales se había evacuado el aire. Robert Boyle mejoró el diseño de Guericke y realizó experimentos sobre las propiedades del vacío. Robert Hooke también ayudó a Boyle a producir una bomba de aire que ayudó a producir el vacío.
En 1709, Francis Hauksbee mejoró aún más el diseño con su bomba de dos cilindros, donde dos pistones funcionaban mediante un diseño de piñón y cremallera que, según se informa, "proporcionaba un vacío perfecto dentro de aproximadamente una pulgada de mercurio". [10] Este diseño siguió siendo popular y sólo cambió ligeramente hasta bien entrado el siglo XIX. [10]
Heinrich Geissler inventó la bomba de desplazamiento de mercurio en 1855 [10] y logró un vacío récord de aproximadamente 10 Pa (0,1 Torr ). A este nivel de vacío se pueden observar una serie de propiedades eléctricas y este renovado interés por el vacío. Esto, a su vez, condujo al desarrollo del tubo de vacío . [11] La bomba Sprengel era un productor de vacío muy utilizado en esta época. [10]
A principios del siglo XX se inventaron muchos tipos de bombas de vacío, incluida la bomba de arrastre molecular , [10] la bomba de difusión , [12] y la bomba turbomolecular . [13]
Las bombas se pueden clasificar en términos generales según tres técnicas: desplazamiento positivo, transferencia de impulso y atrapamiento. [14] [15] [16] Las bombas de desplazamiento positivo utilizan un mecanismo para expandir repetidamente una cavidad, permitir que los gases fluyan desde la cámara, sellar la cavidad y expulsarla a la atmósfera. Las bombas de transferencia de impulso, también llamadas bombas moleculares, utilizan chorros de fluido denso de alta velocidad o paletas giratorias de alta velocidad para expulsar las moléculas de gas de la cámara. Las bombas de atrapamiento capturan gases en estado sólido o adsorbidos; esto incluye bombas criogénicas , captadores y bombas de iones . [14] [15]
Las bombas de desplazamiento positivo son las más efectivas para vacíos bajos. Las bombas de transferencia de impulso, junto con una o dos bombas de desplazamiento positivo, son la configuración más común utilizada para lograr altos vacíos. En esta configuración, la bomba de desplazamiento positivo tiene dos propósitos. Primero se obtiene un vacío aproximado en el recipiente que se está evacuando antes de que se pueda utilizar la bomba de transferencia de impulso para obtener el alto vacío, ya que las bombas de transferencia de impulso no pueden comenzar a bombear a presiones atmosféricas. En segundo lugar, la bomba de desplazamiento positivo respalda la bomba de transferencia de impulso evacuando a bajo vacío la acumulación de moléculas desplazadas en la bomba de alto vacío. Se pueden agregar bombas de atrapamiento para alcanzar vacíos ultra altos, pero requieren una regeneración periódica de las superficies que atrapan moléculas de aire o iones. Debido a este requisito, su tiempo operativo disponible puede ser inaceptablemente corto en vacíos altos y bajos, limitando así su uso a vacíos ultraaltos. Las bombas también difieren en detalles como tolerancias de fabricación, material de sellado, presión, flujo, admisión o no admisión de vapor de aceite, intervalos de servicio, confiabilidad, tolerancia al polvo, tolerancia a productos químicos, tolerancia a líquidos y vibraciones. [14] [15] [16]
Se puede generar un vacío parcial aumentando el volumen de un recipiente. Para continuar evacuando una cámara indefinidamente sin requerir un crecimiento infinito, un compartimento del vacío se puede cerrar, agotar y expandir nuevamente repetidamente. Este es el principio detrás de una bomba de desplazamiento positivo , por ejemplo la bomba de agua manual. Dentro de la bomba, un mecanismo expande una pequeña cavidad sellada para reducir su presión por debajo de la de la atmósfera. Debido al diferencial de presión, parte del fluido de la cámara (o del pozo, en nuestro ejemplo) es empujado hacia la pequeña cavidad de la bomba. Luego, la cavidad de la bomba se sella de la cámara, se abre a la atmósfera y se comprime hasta alcanzar un tamaño diminuto. [14] [16]
Se utilizan sistemas más sofisticados para la mayoría de las aplicaciones industriales, pero el principio básico de la eliminación cíclica de volumen es el mismo: [17] [18]
La presión base de un sistema de bomba de pistón sellado de caucho y plástico suele ser de 1 a 50 kPa, mientras que una bomba de espiral puede alcanzar 10 Pa (cuando es nueva) y una bomba de aceite de paletas rotativas con una cámara metálica limpia y vacía puede alcanzar fácilmente 0,1. Pensilvania.
Una bomba de vacío de desplazamiento positivo mueve el mismo volumen de gas en cada ciclo, por lo que su velocidad de bombeo es constante a menos que se supere mediante contracorriente.
En una bomba de transferencia de impulso (o bomba cinética [16] ), las moléculas de gas se aceleran desde el lado de vacío hasta el lado de escape (que generalmente se mantiene a una presión reducida mediante una bomba de desplazamiento positivo). El bombeo por transferencia de momento sólo es posible por debajo de presiones de aproximadamente 0,1 kPa. La materia fluye de manera diferente a diferentes presiones según las leyes de la dinámica de fluidos . A presión atmosférica y vacíos suaves, las moléculas interactúan entre sí y empujan a sus moléculas vecinas en lo que se conoce como flujo viscoso. Cuando la distancia entre las moléculas aumenta, las moléculas interactúan con las paredes de la cámara con más frecuencia que con las otras moléculas, y el bombeo molecular se vuelve más efectivo que el bombeo de desplazamiento positivo. Este régimen generalmente se denomina alto vacío. [14] [16]
Las bombas moleculares barren un área más grande que las bombas mecánicas y lo hacen con más frecuencia, lo que las hace capaces de alcanzar velocidades de bombeo mucho más altas. Lo hacen a expensas del sello entre el vacío y su escape. Como no hay sello, una pequeña presión en el escape puede causar fácilmente un retroceso a través de la bomba; esto se llama estancamiento. Sin embargo, en alto vacío, los gradientes de presión tienen poco efecto sobre los flujos de fluidos y las bombas moleculares pueden alcanzar su máximo potencial.
Los dos tipos principales de bombas moleculares son la bomba de difusión y la bomba turbomolecular . Ambos tipos de bombas expulsan moléculas de gas que se difunden en la bomba impartiendo impulso a las moléculas de gas. Las bombas de difusión expulsan moléculas de gas con chorros de aceite o vapor de mercurio, mientras que las bombas turbomoleculares utilizan ventiladores de alta velocidad para empujar el gas. Ambas bombas se detendrán y no bombearán si se descargan directamente a la presión atmosférica, por lo que se deben descargar a un vacío de menor grado creado por una bomba mecánica, en este caso llamada bomba de respaldo. [dieciséis]
Al igual que con las bombas de desplazamiento positivo, la presión base se alcanzará cuando las fugas, la desgasificación y la contracorriente igualen la velocidad de la bomba, pero ahora minimizar las fugas y la desgasificación a un nivel comparable a la contracorriente se vuelve mucho más difícil.
Una bomba de atrapamiento puede ser una bomba criogénica , que utiliza temperaturas frías para condensar gases a un estado sólido o adsorbido, una bomba química, que reacciona con gases para producir un residuo sólido, o una bomba de iones , que utiliza fuertes campos eléctricos para ionizar gases y Impulsar los iones hacia un sustrato sólido. Un criomódulo utiliza criobombeo. Otros tipos son la bomba de sorción , la bomba getter no evaporativa y la bomba de sublimación de titanio (un tipo de getter evaporativo que se puede usar repetidamente). [14] [15]
Las bombas regenerativas utilizan el comportamiento de vórtice del fluido (aire). La construcción se basa en un concepto híbrido de bomba centrífuga y turbobomba. Por lo general, consta de varios conjuntos de dientes perpendiculares en el rotor que hacen circular las moléculas de aire dentro de ranuras huecas estacionarias como una bomba centrífuga de etapas múltiples. Pueden alcanzar 1×10 −5 mbar (0,001 Pa) (cuando se combinan con la bomba Holweck) y descargar directamente a presión atmosférica. Ejemplos de tales bombas son Edwards EPX [19] (documento técnico [20] ) y Pfeiffer OnTool™ Booster 150. [21] A veces se la denomina bomba de canal lateral. Debido a la alta tasa de bombeo desde la atmósfera al alto vacío y a la menor contaminación, ya que el rodamiento se puede instalar en el lado de escape, este tipo de bombas se utilizan para bloquear la carga en procesos de fabricación de semiconductores.
Este tipo de bomba sufre un alto consumo de energía (~1 kW) en comparación con la bomba turbomolecular (<100 W) a baja presión, ya que la mayor parte de la energía se consume para retroceder la presión atmosférica. Esto se puede reducir casi 10 veces respaldando con una bomba pequeña. [22]
Los tipos adicionales de bombas incluyen:
La velocidad de bombeo se refiere al caudal volumétrico de una bomba en su entrada, a menudo medido en volumen por unidad de tiempo. Las bombas de transferencia de momento y de atrapamiento son más efectivas con algunos gases que con otros, por lo que la velocidad de bombeo puede ser diferente para cada uno de los gases que se bombean, y el caudal volumétrico promedio de la bomba variará dependiendo de la composición química de los gases que quedan en el interior. la Cámara. [23]
El rendimiento se refiere a la velocidad de bombeo multiplicada por la presión del gas en la entrada y se mide en unidades de presión·volumen/unidad de tiempo. A temperatura constante, el rendimiento es proporcional al número de moléculas que se bombean por unidad de tiempo y, por tanto, al caudal másico de la bomba. Cuando se habla de una fuga en el sistema o de un flujo inverso a través de la bomba, el rendimiento se refiere a la tasa de fuga de volumen multiplicada por la presión en el lado de vacío de la fuga, por lo que el rendimiento de la fuga se puede comparar con el rendimiento de la bomba. [23]
Las bombas de desplazamiento positivo y de transferencia de impulso tienen un caudal volumétrico constante (velocidad de bombeo), pero a medida que cae la presión de la cámara , este volumen contiene cada vez menos masa. Entonces, aunque la velocidad de bombeo permanece constante, el rendimiento y el caudal másico caen exponencialmente. Mientras tanto, las tasas de fuga, evaporación , sublimación y reflujo continúan produciendo un rendimiento constante en el sistema. [23]
Las bombas de vacío se combinan con cámaras y procedimientos operativos en una amplia variedad de sistemas de vacío. A veces se utilizará más de una bomba (en serie o en paralelo ) en una sola aplicación. Se puede crear un vacío parcial o vacío aproximado utilizando una bomba de desplazamiento positivo que transporta una carga de gas desde un puerto de entrada a un puerto de salida (escape). Debido a sus limitaciones mecánicas, estas bombas sólo pueden alcanzar un vacío bajo. Para lograr un vacío mayor, se deben utilizar otras técnicas, generalmente en serie (normalmente después de un bombeo rápido inicial con una bomba de desplazamiento positivo). Algunos ejemplos podrían ser el uso de una bomba de paletas rotativas sellada con aceite (la bomba de desplazamiento positivo más común) respaldada por una bomba de difusión, o una bomba de espiral seca respaldada por una bomba turbomolecular. Existen otras combinaciones dependiendo del nivel de vacío que se busque.
Lograr un alto vacío es difícil porque todos los materiales expuestos al vacío deben evaluarse cuidadosamente para determinar sus propiedades de desgasificación y presión de vapor . Por ejemplo, los aceites, grasas y juntas de caucho o plástico utilizadas como sellos para la cámara de vacío no deben hervir cuando se exponen al vacío, o los gases que producen impedirían la creación del grado de vacío deseado . A menudo, todas las superficies expuestas al vacío deben cocerse a alta temperatura para eliminar los gases adsorbidos . [24]
La desgasificación también se puede reducir simplemente mediante la desecación antes del bombeo al vacío. [24] Los sistemas de alto vacío generalmente requieren cámaras metálicas con sellos de junta metálica, como bridas Klein o bridas ISO, en lugar de las juntas de goma más comunes en los sellos de cámara de bajo vacío. [25] El sistema debe estar limpio y libre de materia orgánica para minimizar la desgasificación. Todos los materiales, sólidos o líquidos, tienen una pequeña presión de vapor y su desgasificación se vuelve importante cuando la presión de vacío cae por debajo de esta presión de vapor. Como resultado, muchos materiales que funcionan bien en vacíos bajos, como el epoxi , se convertirán en una fuente de desgasificación en vacíos más altos. Con estas precauciones estándar, se logran fácilmente vacíos de 1 mPa con una variedad de bombas moleculares. Con un diseño y funcionamiento cuidadosos, es posible alcanzar 1 µPa. [ cita necesaria ]
Se pueden utilizar varios tipos de bombas en secuencia o en paralelo. En una secuencia de bombeo típica, se usaría una bomba de desplazamiento positivo para eliminar la mayor parte del gas de una cámara, desde la atmósfera (760 Torr , 101 kPa) hasta 25 Torr (3 kPa). Luego se usaría una bomba de sorción para reducir la presión a 10 −4 Torr (10 mPa). Se utilizaría una criobomba o una bomba turbomolecular para reducir aún más la presión a 10 −8 Torr (1 µPa). Se puede iniciar una bomba de iones adicional por debajo de 10 −6 Torr para eliminar los gases que no son manejados adecuadamente por una bomba criogénica o turbobomba, como el helio o el hidrógeno . [ cita necesaria ]
El vacío ultraalto generalmente requiere equipos personalizados, procedimientos operativos estrictos y una buena cantidad de prueba y error. Los sistemas de vacío ultraalto suelen estar hechos de acero inoxidable con bridas de vacío con juntas metálicas . El sistema generalmente se hornea, preferiblemente al vacío, para elevar temporalmente la presión de vapor de todos los materiales desgasificantes en el sistema y eliminarlos por ebullición. Si es necesario, esta desgasificación del sistema también se puede realizar a temperatura ambiente, pero esto requiere mucho más tiempo. Una vez que la mayor parte de los materiales desgasificados se han evaporado y evaporado, el sistema puede enfriarse a presiones de vapor más bajas para minimizar la desgasificación residual durante la operación real. Algunos sistemas se enfrían muy por debajo de la temperatura ambiente mediante nitrógeno líquido para detener la desgasificación residual y, simultáneamente, criobombear el sistema. [26]
En los sistemas de vacío ultraalto, se deben considerar algunas rutas de fuga y fuentes de desgasificación muy extrañas. La absorción de agua del aluminio y el paladio se convierte en una fuente inaceptable de desgasificación, e incluso se debe considerar la capacidad de absorción de metales duros como el acero inoxidable o el titanio . Algunos aceites y grasas se evaporarán en vacíos extremos. Es posible que sea necesario considerar la porosidad de las paredes metálicas de la cámara de vacío y que la dirección de la fibra de las bridas metálicas debe ser paralela a la cara de la brida. [26]
Se debe considerar el impacto del tamaño molecular. Las moléculas más pequeñas pueden filtrarse más fácilmente y ciertos materiales las absorben más fácilmente, y las bombas moleculares son menos efectivas para bombear gases con pesos moleculares más bajos. Un sistema puede ser capaz de evacuar nitrógeno (el componente principal del aire) al vacío deseado, pero la cámara aún podría estar llena de hidrógeno y helio atmosféricos residuales. Los recipientes revestidos con un material altamente permeable a los gases como el paladio (que es una esponja de hidrógeno de alta capacidad ) crean problemas especiales de desgasificación. [26]
Las bombas de vacío se utilizan en muchos procesos industriales y científicos, incluidos:
En el campo de la regeneración y refinación de petróleo, las bombas de vacío crean un vacío bajo para la deshidratación del aceite y un vacío alto para la purificación del aceite. [44]
Se puede utilizar una aspiradora para alimentar o proporcionar asistencia a dispositivos mecánicos. En los vehículos de motor híbridos y diésel , se utiliza una bomba montada en el motor (normalmente en el árbol de levas ) para producir vacío. En cambio, en los motores de gasolina , el vacío se obtiene normalmente como efecto secundario del funcionamiento del motor y de la restricción de flujo creada por la placa del acelerador , pero también puede complementarse con una bomba de vacío operada eléctricamente para aumentar la asistencia de frenado o mejorar el consumo de combustible. . Esta aspiradora luego se puede usar para alimentar los siguientes componentes del vehículo de motor: [45] servoamplificador de vacío para los frenos hidráulicos , motores que mueven los amortiguadores en el sistema de ventilación, acelerador en el servomecanismo de control de crucero , cerraduras de puertas o abrelatas del maletero.
En un avión , la fuente de vacío se utiliza a menudo para alimentar los giroscopios de los distintos instrumentos de vuelo . Para evitar la pérdida total de la instrumentación en caso de una falla eléctrica , el panel de instrumentos está diseñado deliberadamente con ciertos instrumentos alimentados por electricidad y otros instrumentos alimentados por la fuente de vacío.
Dependiendo de la aplicación, algunas bombas de vacío pueden ser accionadas eléctricamente (usando corriente eléctrica ) o neumáticamente (usando presión de aire ), o accionadas y accionadas por otros medios . [46] [47] [48] [49]
Los viejos aceites para bombas de vacío que se producían antes de 1980 a menudo contienen una mezcla de varios bifenilos policlorados (PCB) peligrosos , que son contaminantes orgánicos persistentes , altamente tóxicos y cancerígenos . [50] [51]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace ){{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace ){{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace ){{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )