Bomba de difusión

Bomba de difusión de aceite de 6 pulgadas.

Bomba de difusión de aceite Ulvac

Bombas de difusión utilizan un chorro de vapor de alta velocidad para dirigir las moléculas de gas en la garganta de la bomba hacia el fondo de la bomba y salir por el escape. Fueron el primer tipo de bombas de alto vacío operando en el régimen de flujo molecular libre, donde el movimiento de las moléculas de gas puede entenderse mejor como difusión que por la dinámica de fluidos convencional. Inventada en 1915 por Wolfgang Gaede, la llamó bomba de difusión ya que su diseño se basó en el hallazgo de que el gas no puede difundirse contra la corriente de vapor, sino que será transportado con ella hasta el escape. Sin embargo, el principio de funcionamiento podría describirse con mayor precisión como bomba de chorro de gas, ya que la difusión también desempeña un papel en otras bombas de alto vacío. En los libros de texto modernos, la bomba de difusión se clasifica como bomba de transferencia de cantidad de movimiento.

La bomba de difusión se usa ampliamente en aplicaciones industriales y de investigación. La mayoría de las bombas de difusión modernas utilizan aceite de silicona o éteres polifenílicos como fluido de trabajo.

Historia

A fines del siglo XIX, la mayoría de las aspiradoras se creaban con una bomba Sprengel, que tenía la ventaja de ser muy simple de operar y capaz de lograr un vacío bastante bueno con el tiempo suficiente. Sin embargo, en comparación con bombas posteriores, la velocidad de bombeo era muy lenta y la presión de vapor del mercurio líquido limitaba el vacío final.

Después de su invención de la bomba molecular, Wolfgang Gaede inventó la bomba de difusión en 1915 y originalmente usaba mercurio elemental como fluido de trabajo. Después de su invención, Leybold comercializó rápidamente el diseño.

Luego, Irving Langmuir y W. Crawford lo mejoraron. Cecil Reginald Burch descubrió la posibilidad de utilizar aceite de silicona en 1928.

Bombas difusoras de aceite

Se usa una bomba de difusión de aceite para lograr un vacío más alto (presión más baja) de lo que es posible usando solo bombas de desplazamiento positivo. Aunque su uso se ha asociado principalmente dentro de la gama de alto vacío, hasta 1×10⁻⁹ mbar (1× 10⁻⁷ Pa), las bombas de difusión actuales pueden producir presiones cercanas a 1×10⁻¹⁰ mbar (1× 10⁻⁸ Pa) cuando se usa correctamente con fluidos y accesorios modernos. Las características que hacen que la bomba de difusión sea atractiva para el uso en vacío alto y ultra alto son su alta velocidad de bombeo para todos los gases y su bajo costo por unidad de velocidad de bombeo en comparación con otros tipos de bombas utilizadas en el mismo rango de vacío. Las bombas de difusión no pueden descargar directamente a la atmósfera, por lo que normalmente se usa una bomba mecánica para mantener una presión de salida alrededor de 0,1 mbar (10 Pa).

Bombas de difusión utilizadas en los espectrómetros de masa de Calutron durante el Proyecto Manhattan, visibles como cilindros negros en la mitad superior de la imagen

Diagrama de una bomba de difusión de aceite

La bomba de difusión de aceite funciona con un aceite de baja presión de vapor. El chorro de alta velocidad se genera hirviendo el fluido y dirigiendo el vapor a través de un conjunto de chorro. Tenga en cuenta que el aceite es gaseoso al entrar en las boquillas. Dentro de las boquillas, el flujo cambia de laminar a supersónico y molecular. A menudo, se utilizan varios chorros en serie para mejorar la acción de bombeo. El exterior de la bomba de difusión se enfría usando flujo de aire, líneas de agua o una camisa llena de agua. A medida que el chorro de vapor golpea la carcasa exterior enfriada de la bomba de difusión, el fluido de trabajo se condensa y se recupera y se dirige de nuevo a la caldera. Los gases bombeados continúan fluyendo hacia la base de la bomba a mayor presión, saliendo a través de la salida de la bomba de difusión, donde son comprimidos a presión ambiental por la bomba mecánica secundaria y expulsados.

A diferencia de las bombas turbomoleculares y las criobombas, las bombas de difusión no tienen partes móviles y, como resultado, son bastante duraderas y confiables. Pueden funcionar en rangos de presión de 1×10⁻¹⁰ to 1×10 ⁻² mbar (1×10⁻⁸ a 1 Pa). Se impulsan únicamente por convección y, por lo tanto, tienen una eficiencia energética muy baja.

Una de las principales desventajas de las bombas de difusión es la tendencia a devolver el aceite a la cámara de vacío. Este aceite puede contaminar las superficies dentro de la cámara o, al entrar en contacto con filamentos calientes o descargas eléctricas, puede generar depósitos carbonosos o silíceos. Debido a la corriente inversa, las bombas de difusión de aceite no son adecuadas para su uso con equipos analíticos altamente sensibles u otras aplicaciones que requieren un entorno de vacío extremadamente limpio, pero las bombas de difusión de mercurio pueden serlo en el caso de cámaras de ultra alto vacío utilizadas para la deposición de metales. A menudo, se utilizan trampas frías y deflectores para minimizar el reflujo, aunque esto da como resultado cierta pérdida de velocidad de bombeo.

El aceite de una bomba de difusión no puede exponerse a la atmósfera cuando está caliente. Si esto ocurre, el aceite se oxidará y deberá ser reemplazado. Si se produce un incendio, el humo y los residuos pueden contaminar otras partes del sistema.

Tipos de aceite

Los aceites para bombas de difusión más económicos se basan en hidrocarburos que han sido purificados por doble destilación. En comparación con los otros fluidos, tienen una presión de vapor más alta, por lo que generalmente se limitan a una presión de 1×10⁻⁶ Torr (1,3× 10⁻⁴ Pa). También son los más propensos a quemarse o explotar si se exponen a oxidantes.

Los aceites de silicona más comunes que se utilizan en las bombas de difusión son los trisiloxanos, que contienen el grupo químico Si-O-Si-O-Si, al que se unen varios grupos fenilo o metilo. Estos están disponibles como las llamadas mezclas 702 y 703, que antes eran fabricadas por Dow Corning. Estos se pueden separar en aceites 704 y 705, que se componen de los isómeros de tetrafenil tetrametil trisiloxano y pentafenil trimetil trisiloxano, respectivamente.

Para bombear especies reactivas, generalmente se usa un aceite a base de éter polifenílico. Estos aceites son el tipo de aceite de bomba de difusión más resistente a los productos químicos y al calor.

Eyectores de vapor

Parcela de velocidad de bombeo como función de presión para una bomba de difusión.

Bomba de difusión de mercurio de Langmuir (columna vertical) y su bomba de respaldo (en segundo plano), alrededor de 1920. La bomba de difusión fue ampliamente utilizada en la fabricación de tubos de vacío, la tecnología clave que dominaba la industria de la radio y la electrónica durante 50 años.

El eyector de vapor es una forma popular de bomba para la destilación al vacío y la liofilización. Un chorro de vapor arrastra el vapor que debe ser eliminado de la cámara de vacío. Los eyectores de vapor pueden tener una o varias etapas, con o sin condensadores entre las etapas. Si bien tanto los eyectores de vapor como las bombas de difusión utilizan chorros de vapor para arrastrar el gas, funcionan con principios fundamentalmente diferentes: los eyectores de vapor se basan en el flujo viscoso y la mezcla para bombear el gas, mientras que las bombas de difusión utilizan la difusión molecular. Esto tiene varias consecuencias. En las bombas de difusión, la presión de entrada puede ser mucho menor que la presión estática del chorro, mientras que en los eyectores de vapor las dos presiones son casi iguales. Además, las bombas de difusión son capaces de relaciones de compresión mucho más altas y no pueden descargar directamente a la atmósfera.