Ciência e Tecnologia do Vácuo

Apresentação em tema: "Ciência e Tecnologia do Vácuo"— Transcrição da apresentação:

1 Ciência e Tecnologia do Vácuo
Aula 6

2 Princípios de bombeamento
As bombas de vácuo são baseadas em um ou mais dos seguintes princípios: Compressão / Expansão do gás: Bombas a pistão, coluna líquida, rotativas e root´s Arraste por efeito viscoso: Bombas de ejeção de vapor Arraste por efeito de difusão: Bombas de difusão de vapor Arraste molecular: Bombas moleculares Efeitos de ionização Bombas iônicas Sorção Física e Química Bombas de sorção, criogênicas, e aprisionamento

3 Parâmetros e classificação
A seleção (escolha) da bomba ou do princípio de bombeamento a ser utilizado é definido por seus parâmetros específicos: Os principais parâmetros são: A pressão mínima O intervalo de pressões A velocidade de bombeamento A pressão de exaustão Em ultra alto vácuo dois outros parâmetros são considerados: Seletividade Tipo de gás residual

4 Pressão Mínima e Intervalo de pressões
A menor pressão que pode ser alcançada por uma bomba na sua “boca” é determinada tanto pelo seu vazamento interno como pela pressão de vapor dos fluidos utilizados na bomba. A pressão mínima determina o intervalo no qual o bombeamento dos vários tipos de bomba são efetivos

5 Pressão Mínima e Intervalo de pressões

6 Velocidade de Bombeamento
O intervalo de pressão de uma única bomba significa o intervalo no qual a velocidade de bombeamento (S) da bomba pode ser considerado útil. A velocidade de bombeamento das bombas não é constante, mas uma função da pressão. A curva de velocidade de bombeamento vs. pressão de bombas mostra que a partir da pressão atmosférica a velocidade diminui com a diminuição da pressão (bombas mecânicas) e para alguns sistemas a velocidade aumenta, atinge um máximo e depois diminui com a diminuição da pressão.

7 Velocidade de Bombeamento

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9 Pressão de exaustão A pressão de exaustão é a pressão que deve ser mantida na saída de exaustão de gás para que a bomba possa ser operada. Por esse ponto de vista as bombas de vácuo podem (grosseiramente) ser dividida em três classes de Bombas que : Expelem gás para a atmosfera (mecânicas) Expelem gás em pressões sub-atmosféricas (roots, difusora) Imobilzam gases e vapores dentro do próprio sistema e não requerem exaustão (sorção, ionização)

10 Bombas Mecânicas Líquidas
Apenas como abordagem histórica as bombas líquidas mais famosas são: Sprengel Water ejector

11 Bombas a Pistão As bombas à pistão são análogas às bombas de pressurização comuns (pneu de bicibleta).

12 Bomba de Anel de Água Water ring pump:

13 Bomba Rotativa de Palhetas (Mecânica)
Descrição da bomba: Este tipo de bomba é o mais utilizado na indústria e na ciência para produção de pressões na faixa de 10-2 a 10-3 mbar

14 Bomba Rotativa de Palhetas (Mecânica)
4 estágios de bombeamento. Rotação típica a 700 rpm Faixa de pressões a 10-3 mbar

15 Bomba Rotativa de Palhetas
A menor pressão que se pode atingir com uma bomba mecânica é determinada pelo fato de que o gás é comprimido em um pequeno volume, chamado de “volume morto”, assim como na bomba à pistão, ao lado.

16 Bomba Rotativa de Palhetas
A vedação entre a saída e entrada de gás, depende da distância de separação entre o rotor e o estator, que é da ordem de 0,025 mm. A vedação da bomba se dá por contínua circulação de óleo que também a lubrifica. A pressão mínima é limitada por: vazamentos entre entrada e saída degaseificação do óleo lubrificante evaporação do óleo lubrificante

17 Bomba Rotativa de Palhetas 2 estágios
A bomba de 2 estágios aumenta o desempenho por utilizar 2 setores de bombeamento conectados em série. O 1º estágio é o de alto vácuo, que é bombeado pelo 2º estágio, ou de baixo vácuo. A diferença de pressão entre a entrada de gás na bomba e sua saída (no 1º estágio) é menor do que se a pressão fosse a atmosférica.

18 Bomba Rotativa de Palhetas 2 estágios - Velocidade de bombeamento

19 Gás Ballast Quando uma bomba mecânica for utilizada para bombear uma atmosfera que contenha vapores condensáveis, como vapor de água, ocorre a condensação do vapor devido ao aumento da pressão no setor de compressão da bomba. A água condensada mistura-se ao óleo de lentamente será evaporada prejudicando o vácuo final do sistema, além de contaminá-lo.

20 Gás Ballast A pressão final com gás ballast aberto é mais alta, mas considerando que após atingida a pressão final o mesmo deve ser fechado a pressão atingirá o limite previsto sem gás ballast...

21 Óleos das bombas rotativas
A função do óleo de uma bomba é: Vedar Lubrificar Refrigerar Proteger de corrosão Propriedades: Óleos minerais Pressão de vapor menor do que 10-4 mbar Baixa adsorção de água Viscosidade adequada Pouco nocivo à saúde humana

22 Bombas Root´s

23 Bombas Root´s Bombas mecânicas livres de óleo
Dois rotores rodam sincronizados por engrenagens Rotores rodam em direções opostas num estator Não há contato entre rotores e estator A separação entre rotores e rotor estator é da ordem de 0,1 mm

24 Bombas Root´s O gás é aprisionado entre os rotores e o estator e é então transferido A frequência de rotação típica é de 1400 a 4000 rev/min Devido ao grande espaço entre rotor e estator o fluxo de gás reverso (gas leakage) é grande Este fluxo é governado pela diferença de pressão entre entrada e saída (razão de compressão)

25 Bombas Root´s Exaustão para a atmosfera gera uma razão de 3,5:1, o que permite uma pressão mínima de ~300 mbar Para se obter pressões menores do que 300 mbar as bombas roots devem operar em série com bombas rotativas Pressões de 0.05 mbar podem ser obtidas

26 Bombas Root´s A velocidade de bombeamento das Root´s está no intervalo de 150 a m3/h O intervalo de pressão é situado desde 10 até 10-3 mbar A maior velocidade de bombeamento ocorre entre 1 e 10-2 mbar A combinação entre root´s e rotativas permite remover grandes volumes de gás no intervalo de vácuo médio

27 coloque no modo apresetar slides para ver a animação
Bombas Root´s coloque no modo apresetar slides para ver a animação

28 Bombas Root´s As engrenagens e mancais localizam-se fora do estator principal a vedação do eixo é feita com retentores O torque é aplicado aos rotores através de uma junta hidrocinética

29 Bombas Root´s A junta hidrocinética é hoje em dia utilizada devido ao:
Super aquecimento dos rotores em grandes cargas de gás em altas taxas de compressão; os rotores podem aquecer a ponto de tocarem uns com os outros ou com as paredes, podendo travar a bomba Ao torque que na rotação máxima torna-se muito elevado acima de 10 mbar de pressão de entrada e o rotor pode travar

30 Bombas Root´s

31 Bombas Root´s

32 Bombas Difusoras

33 Bombas Difusoras Este tipo de bomba é o mais utilizado em todo o mundo para a produção de alto vácuo Inventada em 1913, é usada na indústria e na ciência Apesar de ser famosa para bombeamento em alto vácuo, se utilizada adequadamente (fluidos modernos e acessórios) pode atingir mbar As vantagens da bomba difusora são: Alta velocidade de bombeamento para todos os tipos de gases Baixo custo por unidade de velocidade de bombeamento se comparada com outro tipo de bomba usado para o mesmo intervalo de vácuo

34 Bombas Difusoras Esta bomba necessita do auxílio de uma bomba de exaustão (rotativa) em série Exemplo simples de bomba difusora ao lado

35 Bombas Difusoras Uma bomba de vácuo difusora a óleo é um equipamento composto de um corpo cilíndrico, com duas aberturas, uma ligada à câmara a ser evacuada e outra por onde o gás bombeado é expelido (Figura 1). No seu interior é montada uma torre de difusão (castelo), que fica em contato com a base da bomba e que por sua vez é aquecida por uma resistência elétrica. Um óleo, de baixa pressão de vapor preenche a base da bomba e, ao ser aquecido, evapora por dentro do castelo sendo ejetado por difusores dispostos ao longo do mesmo. Bombas mecânicas são geralmente usadas para o pré-bombeamento da bomba difusora tendo a tarefa de diminuir a quantidade de moléculas oxidantes, ao mesmo tempo que gera uma diferença de pressão entre o interior e o exterior do castelo.

36 Bombas Difusoras Esta diferença de pressão é a responsável pela ejeção de moléculas de óleo pelos difusores que propositalmente as direciona para a base da bomba. As moléculas de óleo possuem elevado peso molecular e são ejetadas com altas velocidades, transferindo assim grande quantidade de momento às partículas de gás do entorno do castelo. As partículas do gás que são empurradas para a base da bomba difusora são sugadas pela bomba mecânica. Após sucessivas transferências de momento as moléculas de óleo perdem energia cinética e, para que o processo de bombeamento não cesse, estas devem ser coletadas e imobilizadas na parede interna da bomba, para que não contribuam com a elevação da pressão do sistema de vácuo.

37 Bombas Difusoras É por esse motivo que a parede do corpo da bomba deve ser refrigerada. Ao colidir com a parede fria as moléculas do óleo, que são de baixa pressão de vapor, condensam e com o sucessivo acúmulo escorrem de volta para o fundo da bomba, tornando o processo cíclico. A refrigeração da parede da bomba difusora é realizada externamente pela circulação de água em serpentinas enroladas na parede ou construindo-se bombas com paredes duplas.

38 Fluxo de retorno (back-streaming)
Bombas Difusoras Fluxo de retorno (back-streaming) Em qualquer sistema de vácuo onde uma câmara é conectada diretamente a uma bomba difusora, conectada e bombeada em série por uma bomba rotativa, a pressão na câmara alcançará o equilíbrio e a operação continuada de bombeamento não reduzirá mais a pressão do sistema. A pressão estará limitada pela degaseificação da câmara. Esse limite é também devido à presença de vapor de óleo advindo da bomba difusora: Back-streaming – moléculas de vapor originadas no bico ejetor

39 Fracionamento do óleo O óleo das bombas possuem diferentes pesos moleculares Nos diferentes estágios o óleo mais pesado afunda e com o tempo migra para o estágio central (vasos comunicantes) As moléculas de óleo mais pesadas são mais eficientes no bombeamento A pressão final na estágio central é então diminuída pelo fracionamento do óleo

40 “Cold Cap” Redução de “back streaming”

41 Pressão crítica de “Backing”
A PCB é a máxima pressão permitida entre a bomba difusora e a bomba de exaustão Esta linha é também conhecida como backing line ou foreline Se a PCB é excedida o bombeamento é prejudicado e torna-se ineficiente A PCB não deve ultrapassar 10-1 mbar

42 Fluidos A pressão final que se pode obter com bomba difusora é determinada pela pressão de vapor do fluido da bomba. Os fatores a serem considerados para escolha do fluido da bomba são: Pressão de vapor Estabilidade térmica (alto aquecimento no boiler) Quimicamente inerte Toxicidade Viscosidade Custo

43 Fluidos

44 Armadilhas para Difusora
O back streaming é quantificado como a quantidade de fluido (em miligramas) que atravessam a boca da bomba por unidade de tempo. Como exemplo, nas difusoras modernas esta quantidade pode ser de 8x10-5 mg/cm2.min Atingindo uma câmara com área superficial de 2 m2 seria equivalente ao crescimento de um filme de óleo com taxa de 8 nm por dia, o que para muitas aplicações é inconcebível Isso é minimizado e mesmo suprimido se uma armadilha é utilizada Baffle: Uma armadilha adicional logo na entrada da bomba difusora, refrigerada a água, contribui para diminuição da pressão final Trap de nitrogênio líquido Uma armadilha colocada acima do baffle que

45 Baffle Uma armadilha adicional logo na entrada da bomba difusora, refrigerada a água, contribui para diminuição da pressão final A refrigeração se dá com água fria (ou mesmo à temperatura ambiente) de modo a permitir que o óleo condensado possa gotejar de volta para o interior da bomba Não requer manejo especial

46 Trap de N2 Líquido Uma armadilha colocada acima do baffle que à temperatura de -196 ºC retém moléculas do óleo que porventura atravessem o baffle. É capaz ainda de reter moléculas de vapores cuja temperatura de condensação seja superior a -196 ºC (O2, CO, CO2, H2O...) Requer cuidados especiais no manejo do sistema Não deve ser usado em sistemas sem baffle pois retém (congela) todo óleo que o atinge, diminuindo o nível de fluido na bomba difusora.de O reservatório necessita ser periodicamente reabastecido devido à evaporação do nitrogênio líquido

47 Trap de N2 Líquido

48 Sistema de Vácuo Um sistema de vácuo é uma associação entre diferentes tipos de bombas de vácuo Associa-se bombas para se conseguir controlar: Pressão Velocidade de bombeamento

49 Sistema de Vácuo Para pressões de alto vácuo o sistema mais comum é a associação de bomba difusora com bomba mecânica (rotativa de palhetas). O uso de baffle e trap é altamente recomendado para diminuir o back streaming

50 inlet outlet

51 Operação de Sistema de Vácuo
Sistema Difusora + Mecânica Pode ser utilizado em três modos distintos: sem válvulas (registros) com 2 válvulas com 3 válvulas

52 Sem válvulas

53 Sem válvulas Condição inicial do sistema: bomba mecânica e difusora desligadas; medidores desligados e todo sistema à pressão atmosférica Bombeamento: Ligar a bomba mecânica checando a pressão no “backing line” (não deve ser superior à 0,1 mbar) Ligar circulação de água para refrigeração da bomba difusora e ligar sua resistência de aquecimento Após estabilização da bomba difusora (20 a 30 min) ligar o medidor de alto vácuo A pressão da câmara deverá apresentar-se a caminho de alto vácuo (10-4 a 10-6 mbar) A principal desvantagem desse sistema é quando se deseja retornar a pressão da câmara para a atmosférica. O seguinte e único procedimento deve ser seguido: Desligar o medidor de alto vácuo Desligar a bomba difusora e aguardar esfriar (20 a 30 min) Desligar a bomba mecânica (só após a difusora ter esfriado) Operações em que se deseja retornar com frequência à pressão atmosférica os tempos de aquecimento e resfriamento podem ser intoleráveis. O back streaming durante os períodos de transição poder ser extremamente elevado

54 2 válvulas

55 2 válvulas Válvulas fechadas;
Ligar bomba de “backing”, ligar sensor de baixo vácuo da linha para checar a pressão da linha (0,1 mbar) Ligar a água de refrigeração e a difusora Enquanto a difusora entra em regime estacionário, abrir a válvula “roughing” para bombear a câmara (se a tubulação que conecta a mecânica à câmara for curta e se a mesma for bombeada por tempos longos, poderá ocorrer back streaming com o óleo da mecânica) Quando a difusora se encontrar no regime estacionário e a pressão da câmara for de no mínimo 0,1 mbar, a válvula roughing é fechada e se abre a válvula de alto vácuo Liga-se o sensor de alto vácuo A pressão da câmara deve começar a diminuir para casa dos 10-4 a 10-6 mbar

56 2 válvulas Se for necessário ou se desejar quebrar o vácuo da câmara (troca de amostra, etc...) a bomba difusora poderá continuar operando, mas deve-se seguir o procedimento: Fechar a válvula de alto vácuo; Abrir a válvula de admissão de gás (é recomendável desligar todos os sensores, de baixo e de alto vácuo) Após a operação desejada, fecha-se a válvula de admissão de gás e abre-se a válvula roughing (liga-se o sensor de baixo vácuo) Aguarda-se a pressão atingir pelo menos 0,1 mbar; Abre-se a válvula de alto vácuo para bombear o sistema até alto vácuo (liga-se o sensor de alto vácuo) A principal desvantagem desse sistema é o custo de uma bomba mecânica adicional A principal vantagem é que a backing line da bomba difusora nunca terá sua pressão elevada

57 3 válvulas

58 3 válvulas

59 Procedimento: Fechar RV Abrir BV, aguardar pressão de 0,1 mbar Abrir HV, ligar sensor de alto vácuo

60 3 válvulas

61 Bombas Turbomoleculares

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63 Razão de comressão = pressão da entrada / pressão na saída
Bomba Turbo Molecular Uma bomba turbo funciona por transferência de momento das suas lâminas rotativas para as moléculas do gás Um conjunto de lâminas rodam através de outro conjunto que permanece imóvel A rotação das bombas turbo está no intervalo desde a rev/min Estas bombas são concebidas para trabalharem em regime molecular Bombas turbo são mais eficientes para gases de alto peso molecular, devido às suas baixas velocidades A razão de compressão pode chegar a 109 para N2 e 103 para H2 Razão de comressão = pressão da entrada / pressão na saída

64 Razão de Compressão

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66 Bomba Turbo Molecular Basicamente a ação de bombeamento da bomba turbo consiste da interação entre uma superfície que se move e as moléculas do gás. Quando uma molécula colide com uma superfície em movimento ela adquire uma componente adicional na sua velocidade, na mesma direção de movimento da lâmina. Para que as lâminas de fato atinjam moléculas muito rápidas, sua velocidade deve ser próxima da velocidade das moléculas senão as moléculas passarão pela região do rotor sem colidirem Para um rotor rodando a rev/min e com uma lâmina de 7,5 cm de diâmetro a velocidade da extremidade será de ~236 m/s Para comparação a velocidade média das moléculas de nitrogênio a 20ºC é de 470 m/s, enquanto as de hidrogênio é de 1900 m/s Portanto moléculas mais leves são mais difíceis de serem bombeadas pela bomba turbo, com alto grau de back streaming

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68 Bomba Turbo Molecular Bombas turbo requerem bombeamento adicional para expulsão dos gás bombeado Para se bombear gases com baixo peso molecular a pressão da linha de backing deve ser menor do que 10-2 mbar Bombas Turbomoleculares são bombas limpas, secas, não possuem óleo ! ! !

69 Bomba Turbo Molecular Configuração das bombas turbo:
Fluxo simples, Fluxo duplo

70 Bomba Turbo Molecular Como nesse tipo de bomba a rotação é elevada a vedação do eixo terá elevado atrito, ainda que lubrificado, tendo sua vida útil reduzida (manutenção periódica = h de operação) Nas bombas modernas (e caras!!) não há ligação entre o eixo e o exterior da bomba, uma vez que a bomba é levitada magneticamente Consegue-se então: Zerar o atrito Não há necessidade de lubrificação (sem óleo no sistema) Baixo ruído e vibração Sem necessidade de refrigeração

71 Sistema Turbo + mecânica

72 Bomba Turbo Molecular Operação
O tempo para atingir o regime estacionário de operação ocorre quando a bomba atinge sua rotação máxima, e esse tempo varia entre 2 a 5 min, Portanto mesmo para sistemas no qual se deseja ventilar a câmara periodicamente, esse tipo de sistema não necessita de válvulas que interliguem as bombas nem a câmara Essa bomba não pode operar em rotação plena sob pressões acima de 1 mbar, ou seja, sempre é necessário que a câmara seja pré bombeada pela mecânica antes de se ligar a turbo, e para ventilar a câmara é necessário que a turbo tenha reduzido sua rotação até praticamente parada

73 Bomba Turbo Molecular Operação
Esse pré vácuo na câmara pode ser feito usando a bomba turbo (ainda desligada) como duto de conexão mecânica / câmara É aconselhável o uso de trap de água refrigerada ou nitrgênio líquido entre a turbo e a mecânica para evitar o back streaming da mecânica para a turbo e consequentemente para a câmara Se algum objeto sólido entrar pela bomba quando em plena operação é risco de quebra imediato ! ! !

74 Tchau ! ! !