CONCEPTOS BASICOSToms A. MedinaVaco

TEMAS A TRATAR1. CONCEPTOS BASICOS DE VACIO2. FACTORES DE CONVERSION 3. EJERCICIOS 4. MERCADOS Y APLICACIONES5. TIPOS DE BOMBAS Y SISTEMAS DE VACIO 6. ACCESORIOS 7. CAPACIDADES 8. HOJA DE DATOS (para seleccin)9. SELECCIN10. DETECCIN DE FUGAS

Introduccin al vaco

La naturaleza aborrece el vaco

Aristteles

Qu es el vaco?Un ambiente en el que la presin del gas es menor a la presin atmosfrica o ambiental.

Qu es una bomba de vaco?Bomba de vaco:

Un compresor que opera con una presin de succin inferior a la atmosfrica, y descarga por lo comn a presin atmosfrica o ligeramente arriba.

Cmo se mide el vaco? Como presin absoluta donde cero (0) es igual a la ausencia total de presin atmosfrica (vaco perfecto). O bienComo presin vacuomtrica, donde el cero (0) equivale a la presin atmosfrica o ambiental. Los grados de vaco se pueden describir en una de dos formas:

Rangos de vaco

Evangelista Torricelli (1608-1647)Secretario de Galileo (1641-42), y su sucesor como profesor de filosofa y matemticas en Florencia.Invent el barmetro en 1643, llamado originalmente tubo de Torricelli.Para investigar porqu las bombas de vaco no podan elevar el agua ms de 10 metros, Torricelli (que sospechaba la respuesta), decidi usar un fluido ms denso. Se le ocurri usar el mercurio, 13.6 veces ms denso que el agua.

Evangelista Torricelli (1608-1647)Torricelli realiz tambin trabajos en Matemticas.A Galileo le llam la atencin que la Naturaleza pareca no aborrecer el vaco arriba de 10 metros de agua, y le pidi a Torricelli investigar ms profundamente este asunto. Aparentemente, a 10 metros la Naturaleza cambiaba de parecer.Torricelli decidi experimentar con un fluido ms denso, mercurio, densidad relativa = 13.6.

Cmo se mide el vaco?VacoTorricellianoMercurio760 mm(760 Torr)A medida que se reduce la presin atmosfrica, la longitud de la columna decrece. A 0 msnm la altura de la columna de mercurio es 760mm. El vaco se describe comnmente con unidades de mercurio (Hg) Estas unidades se remontan a 1643, cuando Evangelista Torricelli llen un tubo de 4ft con mercurio y lo invirti sobre un plato. Se di cuenta de que haba una cantidad de mercurio que no flua fuera del tubo, y que la porcin superior del mismo se hallaba bajo vaco, el llamado vaco Torricelliano.

Cmo se mide el vaco?Si se usa la escala de presin absoluta, el 0 ser el vaco perfecto, y 760mm ser la presin atmosfrica a 0 msnm

Si se usa la escala vacuomtrica, el 0 describe la presin atmosfrica, y 30 Hg corresponde al vaco perfecto. Nota: Torr o PSI no se usan comnmente para medir presiones vacuomtricas. Cmo se mide el vaco?

La escala absoluta se utiliza normalmente para equipos cuya tecnologa logra niveles de vaco ms profundos, tales como las bombas de pistn rotatorio, paletas deslizantes y tornillo seco. El vaco alcanzado por las bombas de anillo lquido normalmente se expresa en presin vacuomtrica. En el mejor de los casos, alcanzan 29Hg al nivel del mar. Cmo se mide el vaco?

No.An usando la tecnologa ms avanzada del presente, no se puede evacuar totalmente todas las molculas de un gas de una cmara. Los mejores vacos hechos por el hombre contienen menos de 100,000 molculas de gas por cc, comparado con 30x10E18 molculas para aire al nivel del mar.En el espacio intergalctico,se estima que hay menos de una molcula por metro cbico.

Se puede alcanzar un vaco perfecto?

Otto von Guericke (1602-1686), a mediados del siglo XVII.Fabric las semiesferas de Magdeburgo, y demostr que dos equipos de caballos no podan separarlas.Tambin demostr que en el vaco el sonido no puede propagarse, las flamas no pueden sostenerse, y los animales no pueden vivir.

Primera bomba de vaco:

Robert Boyle mejor la bomba de Guericke, y demostr que una pluma y un pedazo de plomo caan con la misma velocidad en el vaco.La produccin de buenos niveles de vaco tuvo que esperar hasta bien avanzado el siglo XIX. La posibilidad de alcanzar vacos profundos, lograda en 1854, llev al descubrimiento de los rayos X, el electrn, y de manera indirecta la radioactividad.En la primera mitad del siglo XX, permiti el desarrollo de bulbos de radio y TV.

Progresos:

Presin atmosfrica = 100 kPa = 1 atm = 760 TorrAspiradora: aproximadamente 80 kPa (608 Torr)Bomba mecnica de vaco: de 100 kPa a 100 Pa Espacio exterior, cerca de la Tierra: 100 PaPresin en la Luna: 1 PaEspacio interestelar: 10 nPaCmara criognica: 100 nPa a 1 nPaLas presiones ms bajas obtenibles: 10E-13 Pa

Grados de vaco:

100 kPA = 760 Torr100 Pa = 760 micrones1 Pa = 7.6 micrones1 Pa = 0.0076 micrones100 Pa = 0.76 micrones1 nPa = 0.0000076 micrones100 nPa = 0.00076 micrones

Conversiones:

1 Torr = 1000 micrones1 Micrn = .001 Torr o bien1 x 10-3 TorrLa presin por debajo de 1 Torr se mide en micrones.

La forma ms sencilla de crear un vaco artificial es la expansin del volumen de un contenedor. El principio detrs de las bombas de vaco consiste en cerrar repetidamente una cmara de un tamao fijo y sacar el gas que contiene, Creacin de vaco:

Una bomba de vaco es una mquina que retira el gas de un recipiente o cmara, dejando atrs un vaco parcial (cuya calidad depende del tipo de bomba).Algunas veces se usa ms de una bomba, ya sea en serie o en paralelo.Bombas de vaco:

Se puede crear un vaco parcial usando una bomba de desplazamiento positivo que transporta una carga de gas de un puerto de un puerto de salida. Existen diferentes combinaciones que proporcionan diversas capacidades y grados de vaco.Bombas de vaco (cont):

Una bomba mecnica de vaco mueve el mismo volumen de gas en cada ciclo, pero conforme disminuye la presin en la cmara, este volumen contiene cada vez y menos masa.Asimismo, empiezan a incrementarse las fugas y el outgassing.Bombas de vaco (cont):

La evaporacin y la sublimacin dentro de una cmara al vaco recibe el nombre de outgassing. La fuente ms comn es el agua. Sin embargo, todos los materiales, lquidos o slidos, tienen una presin de vapor determinada (grasas, aceites).Bombas de vaco (cont):

Presiones de operacin para diferentes tipos de Bomba.

Capacidad y rango de operacin:

Por debajo de la presin atmosfrica, muchos procesos industriales, cientficos y militares se pueden realizar de forma mas rpida y efectiva. Procesos tales como: Evaporacin DestilacinCristalizacin Secado Desodorizacin DeaeracinEl objetivo usualmente es remover el mximo nmero de molculas de aire del tanque de proceso. Para qu se usa el vaco?

Altas temperaturas pueden afectar el producto.O bien,Si existe solamente una fuente limitada o residuos de una fuente de calor estn disponibles para el proceso. El uso de vaco es necesario para remover gases o humedad de un producto si:Para qu se usa el vaco?

Una o ms bombas de vaco.Cmara de proceso.Tubera, coples y vlvulas. Medidores.Cules son los elementos de un sistema de vaco?

Capacidad de la bomba (CFM) Forma y dimensiones de la tubera y pasajes de aire. Caractersticas del gas. Presin de vapor. Out-gassing del producto. Fugas. Contra-flujo de la bomba. Qu determina el rendimiento de un sistema de vaco?

Presin de operacin (o vaco) requerido.Altitud de operacin.El rendimiento de las bombas se comprueba a nivel del mar. Alturas mayores limitan el rendimiento de las bombas.C.Tiempo de bombeo.Desde la presin inicial (o atmosfrica) hasta la presin final de trabajo. D. Volumen de la cmara.E.Carga de gas (o vapores)Condensables, o gases permanentes a los que les es permitido entrar al sistema ya sea por fugas o por generacin interna.

Datos requeridos para seleccionar una bomba

F.Conexiones del sistema.Largo, dimetro entradas y accesorios pueden reducir el flujo y por ende la velocidad de bombeo. G. Prioridades econmicas. Recuperacin del proceso (no contaminacin del aire o aguaNiveles de ruido permisibles. Presupuesto para inversin inicial. Costos de operacin- utilidades-ciclos de trabajo-mano de obra (instalacin, operacin y servicio).

Datos requeridos para seleccionar una bomba

2. FACTORES DE CONVERSION 14.7 psi = 760 mm Hg 1 bar = 14.5 psi 1Torr = 1 mm Hg14.7 psi = 29.92 in Hg1 bar = 1000 mbar1 in Hg = 0.491 psi1 micrn = 1x10-3 mm Hg = 1x10-3 Torr

3. EJERCICIOS CALCULO DE LA PRESION ABSOLUTA A PARTIR DE LA VACUOMETRICADatosAltura del sitio: 915 metros snm (3000 pies).A la altura de 915 metros la presin atmosfrica es 13.1 PSIAPresin de vaco (vacuomtrica): - 25 in Hg

Cont... 3. EJERCICIOSCul es la presin absoluta en el recipiente?Por definicin:P absoluta = P vacuomtrica + P atmosfricaP vacuom = - 25 in Hg x (760 torr / 29.9 in Hg)P vacuom = - 635.45 TorrP atm = 13.1 psia x (760 torr / 14.7 psia)P atm = 677.28 Torr

Cont... 3. EJERCICIOSPor consiguiente:P abs = - 635.45 Torr + 677.28 Torr P abs = 41.83 TorrO lo que es lo mismo:Patm = 26.64 HgPabs = 26.64 25 = 1.64 Hg = 41.7 Torr

Pump down en un sistema hermtico:

Cont... 3. EJERCICIOSCALCULO DEL CAUDAL PROMEDIO REQUERIDO POR LA BOMBA O SISTEMA DE VACIODatosVolumen del sistema : 9 m = 318 pieTiempo ptimo de vaco : 10 minutosAltura del sitio: 0 metros snm.

Cont... 3. EJERCICIOSCul es el caudal promedio de vaco?A la altura de 0 metros snm, la presin atmosfrica es 14.7 psia = 760 TorrLa ecuacin a utilizar es la siguiente:S = (V / t) x ln (P1 / P2) donde:S = caudal promedio de vaco, CFM

Cont... 3. EJERCICIOSV = volumen del sistema en pies cbicost = tiempo ptimo en el cual se quiere alcanzar el vaco, en minutosP1 = presin inicial del sistema (Torr, Hg...)P2 = presin final del sistema (Torr, Hg....)

Cont... 3. EJERCICIOSPara nuestro ejemplo, la presin inicial del sistema es la atmosfrica y la final es la presin ltima de la bomba de vaco.Suponiendo una bomba de anillo lquido, la presin ltima de vaco es 30 Torr (vase catlogo)Por consiguiente:

Cont... 3. EJERCICIOSS = (318 pie / 10 min) x ln (760 / 30)

Se obtiene:

S = 102.8 CFM

4. MERCADOS Y APLICACIONES PROCESOS QUIMICOSEvaporacin, destilacin, secado, filtracin.

PROCESAMIENTO DE ALIMENTOSEmpaque de alimentos, secado de frutas, caf y vegetales, retiro de las vsceras en pollos.

Cont... 4. MERCADOS Y APLICACIONES PETROQUIMICADestilacin al vaco y refinacin.

PLASTICOSTermoformado al vaco, retiro de vapores, extrusin, metalizacin.

Cont... 4. MERCADOS Y APLICACIONES AIRE ACONDICIONADO Y REFRIGERACIONRetiro de humedad por vaco en lneas de aire acondicionado.

ELECTRICA & ELECTRONICAEvacuacin de aire en tubos fluorescentes, nen, etc. Pruebas a circuitos electrnicos mediante vaco. Secado de transformadores.

Cont... 4. MERCADOS Y APLICACIONES LADRILLOS & VIDRIOSSecado del ladrillo y fabricacin de vidrios de seguridad.

LABORATORIOSFiltracin y pruebas de vaco a materiales

Cont... 4. MERCADOS Y APLICACIONES OTROS Envasado de lquidos y elaboracin de cables con diferentes revestimientos.Aislamiento trmico y acstico.Industria del papel.Manipulacin y robtica.

5. ALGUNOS TIPOS DE BOMBAS Y SISTEMAS DE VACIO:Tuthill tiene nueve (9) lneas de productos divididas en cuatro (4) tipos de bombas, ms boosters:

Pistn rotatorioTornilloPaletas deslizantesAnillo lquidoBoosters

SERIES KS, KD, KDH

Bombas Rotativas de Pistn de UNA y DOS ETAPASSelladas mediante aceite Caudales hasta 134 CFMPresiones ltimas hasta 10 2 TorrPotencias hasta 5 HP

SERIE KT

Bombas rotatorias de pistn de UNA ETAPASelladas mediante aceite Caudales hasta 778 CFMPresiones ltimas hasta 10-2 TorrPotencias hasta 40 HP

SERIES KC, KTC

Bombas rotativas de pistn de DOS ETAPASSelladas mediante aceite Caudales hasta 221 CFMPresiones ltimas hasta 2x10 - 4 TorrPotencias hasta 15 HP

SERIE KMBD/KT

Sistemas Reforzadores de Vaco Sellados mediante aceite y aguaCaudales hasta 9600 CFMPresiones ltimas hasta 10-5 Torr (KTC)Potencias hasta 50 HP, 40 HP

SERIE VHS

Sistemas de manejo de vapores corrosivos Sellados mediante aceite y aguaCaudales hasta 778 CFMPresiones ltimas hasta 10-2 TorrPotencias hasta 40 HP/ 10 HP

SERIES KSV/KVAC

Bombas de paletas deslizantesSelladas mediante aceite Caudales hasta 630 CFMPresiones ltimas hasta 2.25 X 10-3 TorrPotencias hasta 30 HP

SERIE KDP

Bombas de Tornillo Completamente secas Caudales hasta 460 CFMPresiones ltimas hasta 5X10-2 TorrPotencias hasta 30 HP

SERIES AF& KLRC

Bombas de anillo lquido de UNA y DOS ETAPASSelladas mediante agua o aceite Caudales hasta 2200 CFMPresiones ltimas hasta 30 TorrPotencias hasta 200 HP

SERIE KMBD/KLRC

Sistemas Reforzadores de Vaco Sellados mediante aceite y aguaCaudales hasta 4500 CFMPresiones ltimas hasta 0.1 TorrPotencias hasta 30 HP, 60 HP

6. ACCESORIOS Vlvula de retencin Vacumetro tipo dialSistemas de filtracin de aceiteVacumetros electrnicosFiltros de entrada y descarga Medidor McLeod (para medir la presin ltima)

Cont... 6. ACCESORIOS Eliminador de niebla de aceite (OME)Vlvula de bola Vlvula de mariposaConectores flexibles

7. TAMAOS

8. HOJA DE DATOSTipo de gas ( aire, vapor de agua, tolueno..)Caudal de succinPresin de vaco (absoluta o vacuomtrica)Temperatura del fluido o vaporAltura sobre el nivel del mar del sitio

Cont.. 8. Hoja de DatosUnidad de vaco nicamente, o se requiere filtro, vlvula de alivio, vlvula check Distancia entre la bomba o sistema de vaco a instalar y el recipiente al cual se le va hacer vaco.Tipo de aplicacin

Cont... 8. Hoja de DatosCuando no se dispone del caudal, es necesario establecer los siguientes dos datos:

Dimensiones del recipiente (ancho, largo, altura, dimetro) al cual se le va hacer vacoTiempo ptimo en el cual se debe alcanzar la presin de vaco requerida.

9. SELECCIONSe requiere remover 100 CFM de aire de un reactor y una presin de vaco de 20 in Hg. La altura s.n.m. del sitio es 2740 metros (la presin atmosfrica es 10.4 psia). La temperatura del aire del reactor es 20 C y la temperatura del agua de enfriamiento es 15 C. La distancia entre la bomba de vaco y el reactor es 4 metros, por consiguiente las

Cont... 9. SELECCIONprdidas de presin por friccin son mnimas.Cul es la bomba idnea para esta aplicacin?La presin atmosfrica es:P atm = 10.4 psia X (760 Torr / 14.7 psia)Patm = 537.69 TorrLa presin de vaco en unidades absolutas es:

Cont... 9. SELECCIONP vac = - 20 in Hg x (760 Torr / 29.9 in Hg)P vac = - 508.36 TorrLuego:P abs = - 508.36 Torr + 537.69 TorrP abs = 30 TorrPor consiguiente, la bomba seleccionada es la KLRC-100 para 100 CFM @ 30 Torr.

10. Deteccin de fugasEventualmente, todos los sistemas desarrollarn fugas.Estas fugas deben detectarse y remediarse, pues cuestan $$$$$$$.Una bomba aparentemente sobrada, ya no da.Esto quiere decir que no se debe escoger una bomba que apenas d la capacidad.Resultado: sufre el nivel de vaco.

10. Deteccin de fugas (Cont...)Mientras ms profundo sea el vaco, mayor ser la sobrecarga, ya que un nmero determinado de SCFM se convertir en ms ACFM.Muchas compaas que manejan vacos modestos, no requieren tan urgentemente un sistema de deteccin de fugas.La clave es disear y mantener el sistema libre de fugas.

10. Deteccin de fugas (Cont...)Mtodo para determinar el tamao de la fuga:Debe conocerse el volumen del sistema.Se asla la maquinaria del sistema de vaco, de manera que solamente la tubera y la cmara de proceso estn abiertas al sistema de vaco.Se bombea hasta el valor ms bajo de operacin (P1), en torr, mbar. Despus, se aisla la bomba cerrando la vlvula a la entrada. Se toma el tiempo de elevacin de la presin hasta P2.

10. Deteccin de fugas (Cont...)Se repite la prueba algunas veces, hasta tener promedios confiables.

S = V (P2-P1) t P1S = tamao de la fuga, ACFM

10. Deteccin de fugas (Cont...)Ejemplo:Se quiere determinar el tamao de la fuga, si la hay.Volumen del sistema = 28.3 ftSe bombea hasta 12 Torr, y se asla la bomba del resto del sistema. Tiempo para subir de 12 a 15 Torr: siete segundos (0.12 minutos)S = V (P2-P1) t P1S = 59 ACFM

10. Deteccin de fugas (Cont...)Bien, y despus, qu sigue?Espuma de jabn (haciendo presin moderada en el sistema de vaco)En algunos sistemas no se puede hacer presin, hay que probarlos bajo vaco. Se puede usar cinta flexible (PVC), que se puede quedar para arreglar la fuga.Detector ultrasnico: detecta la frecuencia del sonido del aire que entra a una fuga.

10. Deteccin de fugas (Cont...)El detector ms preciso que hay es el de helio. Usan una traza de gas para la deteccin. La traza de gas se roca en el punto sospechoso (conexiones, juntas). El helio es succionado y viaja hacia la bomba. Un sensor localizado en la bomba dar una alarma audible.Ventajas del detector de He: puede encontrar fugas muy pequeas.Desventaja: el costo.

Ing. Toms A. MedinaTel: (55) 2855 2395

Muchas gracias!

One or more vacuum pumps (1) are connected to a chamber (2). The pump produces the vacuum; the chamber contains whatever product or apparatus requires the use of vacuum. In between the two are various combinations of tubing, fittings, & valves (3). One or more vacuum gauges (4) are usually connected to the systems to monitor pressure.