Na edição passada falamos sobre como um óleo de bomba de vácuo se contamina. Agora é hora de falar sobre como resolver esse problema usando um lastro de gás – como funciona, suas vantagens e limitações. Vamos aprender mais.
O Que é Lastro de Gás?
Lastro de gás é a introdução de um gás não condensável (por exemplo, ar ou nitrogênio) em uma bomba de paletas rotativas durante o estágio de compressão para impactar intencionalmente a eficiência da bomba, assim aquecendo o óleo interno e ajudando a expulsar a água e outros líquidos condensados presentes na bomba de óleo. Em adição às bombas de paletas rotativas, é também usada em bombas de rolagem e bombas de pistão, para nomear algumas. Wolfgang Gaede desenvolveu o princípio do lastro de gás em 1935, o qual foi primeiramente aplicado a bombas de paletas rotativas.
O gás de lastro é puxado para a câmara de bombeamento através de uma válvula unidirecional (também conhecida como válvula de lastro de gás) localizada na bomba. É normalmente dito que o lastro de gás é injetado, mas na verdade o gás é puxado para dentro da bomba por um motor rotativo, que produz pressão reduzida dentro da bomba.
Como o Lastro de Gás de Bombas Funciona?
Lastros de gás previnem a condensação do vapor dentro da bomba ao diluir o gás bombeado com o ar arrastado através da válvula de lastro. Uma vez que o ar é puxado para dentro e se mistura com os gases bombeados, o vapor de água transportada no gás bombeado compõe uma menor porcetagem do gás, que agora inclui também o gás de lastro (ar).
O vapor de água também é diluído para condensar em um líquido. Outra maneira de dizer é que o gás de lastro dilui o vapor no gás bombeado de forma que a pressão parcial da água nunca atinja seu valor de saturação durante a compressão.
O lastro é introduzido no começo do ciclo de compressão. Após a injeção começar e o gás de lastro for levado para dentro da bomba, o rotor da bomba continua a girar, o que aumenta a pressão gerada dentro da bomba. Isso força a válvula unidirecional a se fechar, mas não até que toda a diluição necessária tenha ocorrido. Enquanto o rotor continua a girar, a válvula de descarga da bomba é forçada a abrir e descarregar a mistura de gás bombeado, gás de lastro e vapor de água (Fig. 1).
Embora o ponto no ciclo de bombeamento no qual o gás de lastro é injetado esteja no lado de compressão da bomba, está ainda abaixo da pressão atmosférica antes da abertura da válvula de lastro, o que força a válvula de lastro a abrir e permitir que o gás de lastro seja levado para dentro da bomba.
Embora a bomba esteja comprimindo o gás bombeado neste ponto, não o está comprimindo acima da pressão atmosférica. Se fosse, a válvula de lastro não se abriria. Isto pode ser confuso porque a terminologia comum que descreve o lastro de gás refere-se ao gás de lastro que está sendo injetado no lado de compressão da bomba, quando poderia ser mais intuitivamente descrito como sendo puxado para a segunda fase da bomba.
A válvula de lastro é uma válvula unidirecional que fecha assim que a pressão da bomba atinge a pressão atmosférica, que é o ponto exato em que a válvula de saída da bomba se abre. Isto força o gás bombeado a iniciar imediatamente a saída da bomba após o balastro ser introduzido e antes da condensação da umidade bombeada ou outro vapor que possa ocorrer dentro da bomba.
Além de diluir a água condensável e outros vapores, o lastro de gás eleva a temperatura do gás bombeado em cerca de 20°C, o que também ajuda a reduzir a condensação de vapores. O lastro de gás também é usado para descontaminar o óleo da bomba que já foi contaminado com vapor condensado, o que pode levar várias horas para o óleo da bomba que esteja severamente contaminado.
Para evitar a contaminação durante o funcionamento normal, os fabricantes de bombas recomendam o funcionamento da bomba com a válvula de entrada fechada e lastro de gás ativo por 20 a 30 minutos após cada ciclo. Isso remove os vapores condensados residuais do óleo após cada ciclo de operação, evitando que eles se acumulem e causem contaminação. No entanto, esta recomendação não é muitas vezes seguida na prática dada as exigências de produção do equipamento.
Embora o ar seja o gás de lastro mais comum devido ao seu baixo custo, não é usado quando a umidade, o oxigênio ou o hidrogênio contido no ar possam reagir com os gases do processo. Nestes casos, prefere-se o nitrogênio. Embora mais caro, é mais inerte do que o ar.
A quantidade de gás de lastro pode ser selecionada em muitas das bombas atuais, com um fluxo baixo e um fluxo alto disponíveis (Fig. 2) ou através de um botão rotativo para permitir o ajuste em uma sequência contínua quando o botão é girado no sentido horário ou anti-horário. O efeito negativo do lastro sobre o vácuo final e a perda de óleo são menores no modo de baixo fluxo do que durante o fluxo alto.
Limitações
Embora seja uma ferramenta essencial para muitas aplicações, o lastro de gás possui várias desvantagens que devem ser consideradas. A maior é que reduz o vácuo final da bomba (Fig. 3), uma vez que o gás de lastro impacta negativamente a eficácia da bomba, ao diminuir a diferença de pressão sobre o rotor da bomba. Por esta razão, a válvula de lastro de gás deve ser fechada em operações normais do forno. Se não for, o resultado pode ser a incapacidade de atingir o nível de vácuo desejado para o processo a ser executado. A maioria dos fabricantes de bombas oferece a opção de lastro de gás automático, o que evita esse problema, mas sujeita a bomba ao lastro mesmo se não houver contaminação.
O lastro de gás também aumenta a taxa de óleo descarregado da bomba. Embora isto seja muito mais desejável do que ter o gás acumulado no óleo da bomba, medidas devem ser tomadas para recolher este óleo afim de impedir a sua descarga da planta.
É tipicamente removido usando um eliminador de névoa de óleo ou filtro coalescente (Fig. 4). Quando o volume de óleo descarregado for suficientemente alto, pode ser dirigido de volta para a bomba para reutilização através de uma linha de retorno de óleo.
Resumo
O lastro de gás é uma parte integrante da operação bem-sucedida de qualquer forno a vácuo e deve ser considerado uma parte rotineira da operação diária. Muitos tratadores térmicos utilizam o lastro em suas bombas de vácuo por 20-30 minutos no início de cada dia, enquanto planejam os seus horários e preparam cargas para serem executadas. Faça disso parte da sua rotina.
Você será feliz por ter feito isso.
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[1] Herring, Daniel H., Vacuum Heat Treatment, Volume I, BNP Media, 2012;
[2] Herring. Daniel H., Vacuum Heat Treatment, Volume II, BNP Media, 2016;
[3] The Vacuum Technology Book, Volumes 1, Pfeiffer Vacuum (www.pfeiffer-vacuum.com), 2008;
[4] “Operating a Vacuum Furnace Under Humid Conditions,” Vacuum Furnace Reference Series, Solar Atmospheres, Inc., 2011;
[5] David Sobiegray, Edwards (www.edwardsvacuum.com), private correspondence;
[6] Dr. Sang Hyun Park, Busch LLC (www.buschusa.com), private correspondence;
[7] Mario Vitale, Oerlikon Leybold Vacuum USA, Inc. (www.oerlikon.com), private correspondence.
