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O vácuo é usado em uma vasta gama de processos de fabricação industrial, incluindo mineração, fabricação de papel e celulose, açúcar e álcool, alimentos, produtos químicos, plásticos, vidro, alumínio, entre outros. Uma bomba de vácuo industrial é usada para criar, melhorar e manter o vácuo nesses processos. Existem muitos tipos de tecnologias de vácuo industrial disponíveis e este artigo explorará essas tecnologias.
Para entender qual tipo de vácuo é mais adequado para você e sua aplicação, é crucial entender os recursos, benefícios e princípios operacionais de cada tipo de tecnologia. Este artigo analisará os tipos mais comuns de bomba de vácuo industrial, como eles funcionam e em quais tipos de aplicações são mais adequados.
O princípio operacional básico de uma bomba de vácuo industrial permanece o mesmo, independentemente do tipo de tecnologia.
As bombas de vácuo removem moléculas de ar (e outros gases) da câmara de vácuo (ou do lado da saída no caso de uma bomba de alto vácuo conectada em série).
À medida que a pressão na câmara é reduzida, a remoção de moléculas adicionais se torna cada vez mais difícil de acontecer. Portanto, um sistema de vácuo industrial deve poder operar sobre uma faixa de pressão extraordinariamente grande, variando tipicamente de 1 a 10-6mbar abs.
Em aplicações de pesquisa científica, isso é estendido para 10-9 mbar abs ou menos. Para fazer isso, diferentes tipos de bombas são usadas em um sistema de vácuo padrão, cada uma cobrindo uma proporção da faixa de pressão e operando em série de tempos em tempos.
Os sistemas de vácuo industrial podem ser colocados nos seguintes grupos de faixas de pressão:
Para essas faixas de vácuo, diferentes tipos de bombas são aplicadas e podem ser divididas em: bombas primárias (de apoio), bombas de reforço e bombas secundárias (alto vácuo): faixas de pressão de alto vácuo, ultra alto vácuo e vácuo extremo.
Obs: essa classificação, dependendo da fonte, pode variar tanto quanto a nomenclatura quanto as faixas de vácuo.
Existem duas categorias básicas de bomba de vácuo: Bombas de Transferência de Gás e bombas de retenção ou captura (Figura 1).
As bombas de transferência transferem moléculas de gás por troca de momento (ação cinética) ou deslocamento positivo. O mesmo número de moléculas de gás que entra na bomba é descarregado e o gás fica ligeiramente acima da pressão atmosférica quando expelido. A taxa de compressão é a razão entre a pressão de escape (saída) e a pressão mais baixa obtida (entrada).
As bombas de transferência cinética usam lâminas de alta velocidade ou introduzem vapor para direcionar o gás para a saída, trabalhando com o princípio de transferência de momento. Esses tipos de bomba podem atingir altas taxas de compressão a baixas pressões, mas normalmente não possuem volumes selados.
Bombas que funcionam capturando mecanicamente um volume de gás e movendo-o através da bomba são conhecidas como bombas de deslocamento positivo. Podendo também ser projetado em vários estágios sobre um único eixo de acionamento. O volume isolado é compactado para um volume menor a uma pressão mais alta e, finalmente, o gás comprimido é expelido para a atmosfera ou para a próxima bomba. Para fornecer um vácuo e vazão mais altos, duas bombas de transferência são frequentemente usadas em série.
Como mencionado anteriormente, as bombas de vácuo de deslocamento positivo são usadas para criar baixo vácuo. Esse tipo de bomba de vácuo, expande uma cavidade e permite que os gases fluem para fora do ambiente ou da câmara selada. Depois disso, a cavidade é selada e faz com que ela se esgote na atmosfera.
O princípio por trás da bomba de vácuo de deslocamento positivo é criar um vácuo expandindo o volume de um recipiente. Por exemplo, em uma bomba de água manual, um mecanismo expande uma pequena cavidade selada para criar um vácuo profundo. Por causa da pressão, um pouco de fluido da câmara é empurrado para dentro da pequena cavidade da bomba.
Depois disso, a cavidade da bomba é selada da câmara, aberta para a atmosfera e depois comprimida de volta para um tamanho minúsculo.
Outro exemplo de bombas de vácuo de deslocamento positivo é como o músculo diafragma expande a cavidade torácica, causando um aumento no volume dos pulmões. Essa expansão resulta na criação de um vácuo parcial e na redução da pressão, que é então preenchida pelo ar empurrado pela pressão atmosférica.
Os exemplos de bombas de vácuo de deslocamento positivo são bombas de vácuo de anel líquido e sopradores de raízes que são altamente usados em várias indústrias para criar vácuo em espaços confinados.
Bombas que captam moléculas de gás em superfícies dentro do sistema de vácuo são surpreendentemente conhecidas como Bombas de Captura ou Entrapment. Essas bombas operam com taxas de fluxo mais baixas do que as bombas de vácuo, como as de transferência, no entanto, podem fornecer vácuo extremamente alto, até 10-12Torr. As bombas de captura operam usando condensação criogênica, reação iônica ou reação química e não têm partes móveis, criando, portanto, vácuo sem óleo.
As bombas de captura que funcionam com reações químicas têm desempenho mais eficaz, pois geralmente são colocadas dentro do recipiente onde é necessário vácuo. As moléculas de ar criam uma película fina que é removida quando a operação da bomba causa uma reação química às superfícies internas da bomba. As bombas de captura são usadas junto com as bombas de vácuo de deslocamento positivo e as bombas de vácuo de transferência de momento para criar um vácuo ultra-alto.
As tecnologias de bomba de vácuo são consideradas úmidas (lubrificadas) ou secas (sem óleo ou com funcionamento a seco), dependendo de o gás ser ou não exposto a óleo ou água (bombas de anel líquido) durante o processo de compressão.
As bombas lubrificadas selam a si mesmas usando óleo; esse fluido pode contaminar o gás bombeado. Visto que as bombas de vácuo a seco não têm fluido no gás bombeado, elas dependem de folgas precisas entre as partes rotativas e estáticas da bomba, além de retentores, anéis de pistão e o-rings para otimizar a vedação.
Nas bombas secas, o óleo ou a graxa usados para lubrificação dos rolamentos e engrenagens, são mantidos separados da unidade geradora de vácuo ou pressão, o que garante a redução do risco de contaminação e névoa de óleo. Em função disso, elas trazem grandes benefícios ambientais por não exigir o descarte de óleos e não contaminar a água como as bombas lubrificadas.
As bombas centrífugas são máquinas operadas hidraulicamente, caracterizadas por sua capacidade de transmitir energia a fluidos (em particular a líquidos) através do trabalho de um campo de forças centrífugas. Seu principal objetivo é transferir fluidos através de um aumento na pressão. As bombas centrífugas podem ter estruturas diferentes, mas seus princípios de operação e características dinâmicas de fluido são sempre os mesmos.
As bombas de vácuo de garra rotativa geram vácuo sem contato de maneira eficiente e econômica. Isso é possível devido ao princípio da compressão interna no projeto da garra rotativa. As bombas de vácuo de garras são baseadas em um sistema de compressão estática. Ao contrário dos lóbulos rotativos convencionais, a compressão ocorre internamente pela contração do volume.
Uma bomba de garra consiste em dois rotores que giram em direções opostas na carcaça do compressor sem contato entre partes com folgas muito justas. Esses rotores são sincronizados através de uma engrenagem de precisão.
Através do giro da garra, o gás é aspirado e comprimido por redução de volume à medida que é direcionado a descarga do compressor. A compressão é feita entre a garra e a parede da carcaça.
Uma bomba de vácuo tipo parafuso consiste de dois rotores em forma de parafuso paralelos, um com uma rosca do lado direito e outro com uma rosca do lado esquerdo. Os dois parafusos giram na caixa de compressão sem fricção e com folgas muito justas. Elas são sincronizadas por meio de um par de engrenagens de precisão.
A caixa de compressão e a forma especial dos parafusos formam as câmaras de compressão. Devido à rotação oposta de ambos os parafusos, a câmara conectada à porta de sucção tem maior volume e o gás é transportado para a câmara de compressão.
Em seguida, a câmara passa axialmente do lado da sucção para o lado da pressão. Em modelos de passo variável, o gás é comprimido em todo o comprimento do parafuso devido ao design de passo variável constante, resultando em maior eficiência.
No lado da pressão, o gás é comprimido contra a parede da caixa axial e o volume é reduzido até que a superfície dianteira do parafuso abra o canal de descarga para que o gás pré-comprimido seja descarregado pela conexão de pressão. O resfriamento é obtido usando água refrigerada na camisa que circunda a câmara.
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Os sopradores de canal lateral têm um impulsor montado diretamente no eixo do motor para compressão livre de contato. O gás é absorvido pela entrada. Quando entra no canal lateral, o impulsor rotativo transmite velocidade ao gás no sentido de rotação. A força centrífuga nas pás do impulsor acelera o gás para fora e a pressão aumenta.
Cada rotação adiciona energia cinética, resultando em aumento adicional da pressão ao longo do canal lateral. O canal lateral se estreita no rotor, varrendo o gás das pás do impulsor e descarregando-o através do silenciador de saída, onde sai da bomba.
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