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El vacío es un servicio que se utiliza en numerosos procesos industriales: envasado, embotellado, secado, desgasificación, recogida y colocación, etc. Las bombas de vacío industriales se utilizan para crear, mejorar y mantener el vacío en los procesos. Existen diversos tipos de tecnologías de vacío industrial. En este artículo, podrá conocerlas. Para determinar cuál es el mejor tipo de bomba de vacío para sus necesidades, es importante comprender las características y ventajas de cada tecnología. En este artículo, se revisan los tipos habituales de bombas de vacío industriales, su rendimiento y las aplicaciones a las que mejor se adaptan.
El principio básico de funcionamiento de una bomba industrial es el mismo con independencia del tipo de tecnología.
Las bombas de vacío eliminan moléculas de aire (y otros gases) de la cámara de vacío (o del lado de salida, en el caso de una bomba de vacío superior conectada en serie). A medida que se reduce la presión en la cámara, la eliminación de moléculas adicionales es cada vez más difícil. Por tanto, un sistema de vacío industrial (Fig. 1) debe ser capaz de funcionar en una parte de un rango de presión extremadamente amplio, que oscila normalmente entre 1 y 10-6 torr / 1,3 y 13,3 mbar de presión. En aplicaciones de investigación y científicas, se amplía a un rango de 10-9 torr o inferior. Para lograrlo, los sistemas de vacío estándar emplean distintos tipos de bombas que cubren distintas proporciones del rango de presión y, ocasionalmente, funcionan en serie.
Los sistemas industriales se pueden ubicar en los siguientes grupos de rangos de presión:
Los diferentes tipos de bombas para estos rangos de vacío se pueden dividir en bombas primarias (apoyo), bombas nodrizas y bombas secundarias (alto vacío): rangos de presión alto, muy alto y súper-alto.
Hay dos categorías básicas de bombas de vacío: Bombas de transferencia de gas y bombas de captura (Figura 1).
Figura 1; Tipos de bombas de vacío
Las bombas de transferencia trasladan moléculas de gas por intercambio de movimiento (acción cinética) o por desplazamiento positivo. El número de moléculas de gas que entran y salen de la bomba es el mismo, y, cuando se expele, el gas está a una presión ligeramente superior a la atmosférica. La relación de compresión es la relación entre la presión de descarga (salida) y la presión mínima obtenida (admisión).
Las bombas de transferencia cinéticas utilizan paletas de alta velocidad o introducción de vapor para dirigir el gas hacia la salida por el principio de transferencia de momento. Este tipo de bomba ofrece altas relaciones de compresión a baja presión, pero, normalmente, sin volumen sellado.
Son bombas que funcionan capturando mecánicamente un volumen de gas y moviéndolo por su interior. Por lo general, disponen de varias etapas en un único eje de transmisión. El volumen aislado se comprime hasta alcanzar un volumen menor a mayor presión y, por último, el gas comprimido se expele a la atmósfera o a la siguiente bomba de la línea. Para ofrecer niveles superiores de vacío y caudal, se suelen utilizar dos bombas de transferencia conectadas en serie.
Como ya se ha mencionado, las bombas de vacío de desplazamiento positivo se utilizan para crear niveles bajos de vacío. Este tipo de bomba expande una cavidad y permite que el gas fluya hacia el exterior del entorno estanco (cámara). A continuación, la cavidad se sella y provoca su salida a la atmósfera. El principio de funcionamiento de la bomba de desplazamiento positivo se basa en la creación de vacío mediante la expansión del volumen de un contenedor. Por ejemplo, en una bomba de agua manual, un mecanismo expande una pequeña cavidad estanca para crear un vacío profundo. Por efecto de la presión, parte del fluido de la cámara se oprime hacia el interior de la pequeña cavidad de la bomba. A continuación, la cavidad de la bomba se aísla de la cámara, se abre a la atmósfera y se comprime de nuevo a un tamaño mínimo. Otro ejemplo de una bomba de vacío de desplazamiento positivo es la expansión de la cavidad torácica producida por el diafragma, que provoca un aumento de volumen de los pulmones. Esta expansión es el resultado de la creación de un vacío parcial y de la reducción de presión. El vacío se llena después con el aire introducido por la presión atmosférica. Las bombas de vacío de anillo líquido y los compresores Roots son ejemplos de bombas de desplazamiento positivo. Se utilizan profusamente en numerosos entornos industriales para crear aire en espacios reducidos.
Las bombas que capturan moléculas de gas en las superficies del interior del sistema de vacío se denominan bombas de captura o atrapamiento. Funcionan con un caudal inferior al de las bombas de transferencia, pero ofrecen niveles de vacío muy elevados, de hasta 10-12 torr. Las bombas de captura se basan en la condensación criogénica, la reacción iónica o la reacción química y carecen de piezas móviles. Como consecuencia, pueden generar vacío exento de aceite.
Las bombas de captura que utilizan reacciones químicas, funcionan mejor si se ubican en el interior del contenedor en el que se requiere el vacío. Las moléculas de aire crean una película fina que desaparece cuando el funcionamiento de las bombas provoca una reacción química en las superficies internas de las mismas. Las bombas de captura se utilizan con bombas de vacío de desplazamiento positivo y de transferencia de momento para crear vacío súper-alto.
Las tecnologías de bombas de vacío se clasifican como húmedas (lubricadas) o secas (exentas de aceite o funcionamiento en seco), dependiendo de si el gas está o no expuesto a aceite o agua durante el proceso de compresión.
Las bombas húmedas se lubrican y sellan con aceite o agua. El fluido puede por tanto contaminar el gas bombeado En cambio, las bombas de vacío secas generan gas libre de fluidos, se basan en holguras muy precisas entre las piezas rotativas y estáticas, utilizan juntas de polímeros secos (PTFE) o un diafragma para separar el mecanismo de bombeo del gas y garantizan la estanqueidad.
No obstante, las bombas secas no están totalmente exentas de aceite, ya que suelen utilizar algún tipo de grasa para lubricar sus engranajes y cojinetes. El aceite no entra en contacto con la compresión de vacío. Las bombas secas reducen el riesgo de contaminación y neblina de aceite. También ofrecen ventajas medioambientales, porque no requieren desechar el aceite como en el caso de las bombas lubricadas.
Las bombas centrífugas son máquinas de accionamiento hidráulico que se caracterizan por su capacidad para transmitir energía a los fluidos (especialmente, líquidos) mediante un campo de fuerzas centrífugas. Su aplicación principal es la transferencia de fluidos mediante el aumento de presión. Las bombas centrífugas pueden tener distintas estructuras, pero su principio de funcionamiento y las características de su dinámica de fluidos son siempre iguales.
Las bombas de vacío de anillo líquido son similares a las de paletas rotativas. La diferencia reside en que las paletas forman parte del rotor y se mueven en un un anillo líquido para crear una cámara de compresión estanca. Su diseño destaca por la baja fricción, ya que el rotor es la única pieza móvil. La fricción se limita a las juntas del eje. Las bombas de anillo líquido suelen utilizar un motor de inducción.
Los sistemas de anillo líquido pueden tener una o varias etapas.
Bomba de vacío de anillo líquido Nash
Las bombas de vacío de garra rotativa generan vacío sin contacto de forma eficiente y económica. Se basan en el principio de la compresión interna del diseño de garra rotativa. Las bombas de vacío de garra de la Serie C se basan en un sistema de compresión estática. A diferencia de los lóbulos rotativos, la compresión se realiza internamente por contracción de volumen.
Las bombas de garra constan de dos rotores. Giran en sentido inverso en una caja de compresión sin contacto y con holguras muy ajustadas. Están sincronizados mediante un engranaje de precisión. A medida que la garra se desplaza sobre la conexión de succión y la entrada del canal de succión axial, el gas se aspira hacia la cámara de compresión. El gas se precomprime en la cámara de compresión y, a continuación, se descarga.
Más información sobre las bombas de garra rotativa
Una bomba de vacío de tornillo consta de dos rotores paralelos con forma de tornillo. Uno de ellos tiene rosca a la derecha, y el otro, a la izquierda. Ambos tornillos giran sin fricción en la caja de compresión con holguras muy ajustadas.
Están sincronizados mediante un engranaje de precisión. La caja de compresión y la forma especial de los tornillos forman las cámaras de compresión. Dado que los tornillos giran en sentido contrario, la cámara conectada al orificio de succión se ensancha y el gas se transporta hasta la cámara de compresión. A continuación, la cámara se desplaza axialmente desde el lado de succión hasta el de presión (flecha).
En los modelos de paso variable, el gas se comprime en cada cambio de paso y se enfría antes del siguiente cambio de paso para mejorar la eficiencia. En el lado de presión, la cámara se desplaza hacia la pared axial de la caja y el volumen se reduce hasta que la superficie frontal del tornillo abre el canal de presión y el gas comprimido se descarga a través de la conexión de presión. Una cámara exterior refrigerada por agua se encarga de enfriar el gas. En las bombas de cierto tamaño, es posible introducir gas refrigerante adicional.
Más información sobre las bombas de tornillo rotativo
En las soplantes de canal lateral, la turbina se monta directamente en el eje motor para obtener una compresión sin contacto. El gas se introduce en el sistema a través de la entrada. A medida que penetra en el canal lateral, la turbina aporta velocidad al gas en el sentido de giro. La fuerza centrífuga de las paletas de la turbina acelera el gas hacia el exterior y la presión aumenta.
Cada rotación aporta energía cinética, aumentando así la presión a lo largo del canal lateral. El canal lateral se estrecha en el rotor para barrer el gas de las paletas de la turbina y descargarlo de la bomba a través del silenciador de salida.
Más información sobre las soplantes de canal lateral
Soplante de canal lateral Elmo Rietschle