Bombas à vácuo

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MATO GROSSO 
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE VÁRZEA GRANDE 
FACULDADE DE ENGENHARIA 
ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
 
 
BOMBAS À VÁCUO 
 
 
 
 
JAQUELINE SILVA GONZAGA 
JULIA SELVA DOMINGOS 
 
 
Cuiabá-MT 
2019
 
 
 
 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO MATO GROSSO 
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE VÁRZEA GRANDE 
FACULDADE DE ENGENHARIA 
ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
JAQUELINE SILVA GONZAGA 
JULIA SELVA DOMINGOS 
 
 
 BOMBAS À VÁCUO 
 
 Trabalho apresentado ao curso de 
Engenharia Química, como parte dos 
requisitos necessários à aprovação na 
disciplina de Termodinâmica Química I da 
Universidade Federal de Mato Grosso. 
 Orientador: Profº Dr. Paulo Almeida 
 
 
Cuiabá-MT 
2019 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
1. Figura 1- Barômetro de Mercúrio ................................................................................. 4 
2. Figura 2- Experimento Hemisférios de Magdeburgo .................................................... 6 
3. Figura 3- Esquema simplificado do funcionamento de uma bomba de vácuo típico .... 6 
4. Figura 4 – Desenho esquemático de uma Bomba Rotátiva ........................................... 7 
5. Figura 6 – Sequência de Bombeamento ........................................................................ 8 
6. Figura 5 – Desenho em corte de uma Bomba Rotativa ................................................. 8 
7. Figura 7 – Bomba Roots ............................................................................................... 8 
8. Figura 8 – Sequência de Funcionamento de uma Bomba Roots ................................... 9 
9. Figura 9 – Bombas de Sorpção ................................................................................... 10 
10. Figura 10 - Forno de vácuo alto..................................................................................11 
11. Figura 11 – Bomba de difusão ................................................................................... 11 
12. Figura 12 - Bomba de ion de orbitron ......................................................................... 12 
13. Figura 13 - Máquina física de deposição de vapor...................................................... 14 
14. Figura 14 - Câmara de simulação de espaço ............................................................... 14 
15. Figura 15- Bomba Turbo Molecular ........................................................................... 15 
16. Figura 16- Discos Rotativos ........................................................................................ 15 
17. Figura 17- Discos e Placas .......................................................................................... 16 
18. Figura 18- Semicondutor ............................................................................................ 16 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 5 
 1.1 Contexto histórico ............................................................................................... 5 
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................... 6 
2.1 Bombas a vácuo ................................................................................................... 6 
2.2 Classes de bomba..................................................................................................7 
2.2.1 Bombas de pré-vácuo................................................................................7 
2.2.2 Bombas de alto vácuo..............................................................................10 
3. CONCLUSÃO ........................................................................................................ 17 
4. REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
1. INTRODUÇÃO 
1.1 Contexto Histórico 
Desde o tempo de Aristóteles existe o conhecimento de que o vácuo sendo um espaço 
vazio é improvável de ser gerado, essa concepção permaneceu aceita até meados do século 
XVII na Grécia Antiga, quando Torricelli realizou um experimento em que colocava ao 
contrário um tubo de vidro cheio de mercúrio em um recipiente também contendo mercúrio e 
observou a formação de um espaço vazio – vácuo – acima da camada de 76 de mercúrio cm 
na parte superior do tubo. 
Fonte: Fundamentos Científicos da Técnica do Vácuo 
Pascal e seu cunhado Perier, em 1648, mostraram que a pressão atmosférica varia com 
a altura, ao levar o experimento de Torricelli ao pico de uma montanha, dessa forma o 
experimento com o mercúrio poderia ser usado como um medidor de vácuo, durando por muito 
tempo a utilização desse método de medição. A utilização do sistema também constitui a 
primeira bomba de vácuo, seu aperfeiçoamento resultou mais tarde na bomba de Sprengel. 
Iniciando em 1640, Otto von Guericke realizou experimentos sobre vácuo, culminando 
no desenvolvimento da primeira bomba de vácuo mecânica. Em sua primeira tentativa usou 
uma bomba d’água adaptada para esvaziar um barril de água. Com modificações futuras 
conseguiu retirar o ar do barril, porém era impossível a vedação mesmo. Dessa forma, em 1654, 
ele utilizou hemisférios de cobre selados com tiras de couro, o que resultou em seu experimento 
mais famoso, na qual retirou o ar de dentro dos hemisférios selados e observou-se que não era 
possível separa-los nem com a força de diversos cavalos, demonstrando a possibilidade do 
vácuo exercer grandes força
Figura 1- Barômetro de Mercúrio 
 
 
6 
 
Figura 2- Experimento Hemisférios de Magdeburgo 
 
Fonte: Fundamentos Científicos da Técnica do Vácuo 
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 
2.1 Bombas a vácuo 
Uma bomba de vácuo é um dispositivo que tem como função principal remover moléculas 
de gás de um volume selado e deixar um vácuo parcial para trás. Basicamente, é usada para 
retirar ar e gases de um espaço fechado ou confinado, ao qual o espaço é deixado de fora de 
qualquer gás e moléculas de ar. 
As bombas de vácuo são classificadas pela faixa de pressão de operação e, como tal, são 
classificadas como: bombas de pré-vacuo (variando de 10 -2 a 10-3 torr) e bombas de alto vácuo 
(variando de 10 -6 a 10 -10 torr.) Dentro destas classes, existem vários tipos de bombas, cada 
uma empregando uma tecnologia diferente, e cada uma com algumas vantagens em relação à 
capacidade de pressão, vazão, custo e requisitos de manutenção. 
Figura 3- Esquema simplificado do funcionamento de uma bomba de vácuo típico. 
 
Fonte: IF-USP Bombas a vácuo. 
 
 
7 
 
2.2 Classes de Bombas 
De maneira geral as bombas são definidas como os elementos ativos responsáveis pelo 
transporte de gases de um ambiente fechado (câmara) para o meio externo. Elas podem ser 
classificadas de acordo com o princípio básico de operação em: bombas de pré-vácuo e bombas 
de alto vácuo. 
2.2.1 Bombas de pré-vácuo 
Esse tipo de bomba baseia-se em coletar uma amostra de gás presente no interior da 
câmara, comprimi-lo e expulsa-lo para o exterior, elas começam a operar em pressão 
atmosférica e produzem vácuo de 10-2 – 10-3 Torr. Os exemplos mais usuais deste tipo de bomba 
são: bombas rotatórias; bombas roots e bombas de sorpção. 
Bombas Rotatórias de Palhetas 
Também chamadas de bombas mecânicas, são bombas em que o rotor cilíndrico varre 
o gás da região A para a região B à pressão atmosférica. O rotor cilíndrico de aço, cujo eixo é 
acoplado por meio de uma polia a motor elétrico, gira dentro de um cilindro de aço fixo. Na 
partede cima Z, o rotor encosta bem justo no cilindro. O rotor gira na direção que mostra a 
flecha. Duas palhetas C e D são separadas por uma mola, de modo que suas pontas M e L 
encostem com pressão na parede do cilindro fixo. Todo esse sistema está colocado dentro de 
óleo que serve para vedar e lubrificar. 
 
Figura 4 – Desenho esquemático de uma Bomba Rotátiva 
 
Fonte: IF-USP Bombas à vácuo 
 
 
8 
 
 Quando o rotor gira a ponta L da palheta C passa a entrada A de ar, o volume Ve atrás 
da palheta se expande, fazendo com que a pressão diminua. Ao mesmo tempo, o volume V 
diminui, comprimindo o gás e aumentando a pressão, até que a válvula Y se abre e o gás é 
expelido para fora. 
Fonte: IF-USP Bombas à vácuo 
• Bombas Roots 
Esta bomba é utilizada em sistemas de vácuo onde uma grande quantidade de gases 
precisa ser bombeada. Sua faixa de trabalho, de 10 torr até 10-5 torr, é justamente aquela onde 
outros tipos de bombas são menos eficientes em termos de velocidade de bombeamento, 
atuando como auxiliar de um sistema de uma bomba rotatória ou de uma bomba de difusão. 
Fonte: Google imagens 
Figura 5 – Sequência de Bombeamento Figura 6 – Desenho em corte de uma Bomba 
Rotativa 
Figura 7 – Bomba Roots 
 
 
9 
 
Esse tipo de bomba opera de maneira similar a uma bomba rotatória com uma diferença 
importante: os dois rotores não tocam o estator. Por este motivo esta bomba não precisa de óleo 
lubrificante para funcionar, exceto na caixa de engrenagens que fica fora da câmara de vácuo, 
não contaminando, portanto, o sistema. Os dois rotores giram em sentidos opostos, e seu 
movimento é sincronizado por engrenagens como se pode ver no desenho. Os gases a serem 
bombeados entram na bomba pela flange e preenchem a área sombreada mostrada em a. A 
medida que os rotores giram, os gases ocupam a área entre os rotores e a parede do estator 
(visto em b) até serem aprisionados como se vê em C. Seguindo seu movimento, os rotores 
expulsão os gases pela flange de saída, normalmente conectada a uma bomba rotatória. 
Figura 8- Sequência de Funcionamento de uma Bomba Roots 
Fonte: IF-USP Bombas à vácuo 
As várias aplicações destas bombas incluem, como exemplo, as seguintes: 
➢ Secagem de componentes elétricos; 
➢ Degasificação à vácuo em metalúrgica; 
➢ Túneis de vento para teste aeroespaciais; 
➢ Criogenia; 
➢ Produção de vácuo em câmaras grandes; 
➢ Indústria química e farmacêutica 
Possuem as seguintes vantagens: 
➢ Não é afetada por entrada súbita de ar; 
➢ É eficiente para bombear grandes quantidade de gás; 
➢ Possui faixa de trabalho eficiente, bastante ampla; 
➢ Custo operacional reduzido; 
➢ Não é afetada por gases contaminantes, vapores ou poeira 
 
 
10 
 
• Bombas de Sorpção 
As moléculas de gás podem ser removidas por adesão a superfície solida (adsorção) e 
por penetração do sólido (absorção). Nas regiões gás-solido, estes dois processos são 
praticamente indistinguíveis. Bombeamento por sorpção refere-se a estes processos, quando se 
visa produzir vácuo num sistema. 
Consiste de um recipiente com um material que tem grande área superficial efetiva e 
grande poder de sorpção de gases. Em geral, usa-se zeolita sintética e silicato de alumínio. 
Estes silicatos cristalizam-se em forma cúbica, com uma molécula de água cristalizada. A água 
cristalizada é expelida por aquecimento deixando um “buraco” que fica a disposição do gás 
adsorvido. Para aumentar a capacidade de bombeamento, costuma-se usar temperaturas baixas, 
colocando o recipiente com zeolita em nitrogênio líquido. 
Vantagens: 
➢ É uma bomba limpa. Serve muito bem principalmente para sistemas que não 
podem ser contaminados com vapor de óleo, e para fazer pré-vácuo para bombas 
iônicas; 
➢ Não produz trepidações e barulho; 
➢ Fácil manutenção. 
Desvantagens: 
➢ Necessita de nitrogênio líquido; 
➢ Baixa eficiência de bombeamento para Hélio e Hidrogênio 
➢ Se tiver muito vapor de água, satura rapidamente. 
Fonte: IF - USP Bombas à vácuo 
Figura 9 – Bombas de Sorpção 
 
 
11 
 
2.2.2 Bombas de Alto vácuo 
Este tipo de bomba só opera em pressões abaixo da atmosférica, atingindo de 10 -6 a 
10 -10 torr. 
Figura 10 – Forno de vácuo alto 
 
Imagem: google images. 
• Bomba de Difusão 
Uma bomba de difusão, é uma bomba molecular, projetada para bombear gases de baixa 
densidade na faixa de alto vácuo, 10-3 a 10-7 torr (1,3 x 10 -6 a 1,3 x 10 -10 atm). 
Figura 11 – bomba de difusão. 
 
Imagem: Google imagens. 
 
 
12 
 
Em uma bomba de difusão, as moléculas de gás são liberadas do recipiente usando um 
calor de vapor de alta velocidade. Este vapor é produzido aquecendo o óleo da bomba de 
difusão até à sua temperatura de ebulição, o que é considerado uma prática antiga. 
Vantagem: Proporciona alta confiabilidade a baixo custo. 
• Bomba Iônica: 
As bombas de vácuo iônicas operam na faixa de pressão de vácuo ultra-alta, a pressões 
abaixo de 10 -7 torr (1,3 x 10 -10 atm). Bombas de íons capturam e armazenam moléculas de 
gás. O esquema abaixo (figura 12) mostra uma bomba de íon de orbitron. Uma molécula de 
gás colide com elétrons de alta energia, perde um ou mais de seus próprios elétrons e fica com 
uma carga positiva. O íon resultante está sob a influência de um forte campo elétrico e, 
portanto, é acelerado em um cátodo de titânio. 
A força da colisão é grande o suficiente para que os íons e alguns íons de titânio sejam 
ejetados do cátodo e colidam com as paredes adjacentes da bomba, onde se acumulam. 
Figura 12 – bomba de íon de orbitron. 
 
Imagem: Google imagens. 
O cátodo é construído com fendas. Essas fendas evitam que os íons sejam implantados 
nas paredes da bomba em grande extensão, e também impedem que íons enterrados 
anteriormente sejam enterrados. Este protótipo é usado quando gases nobres são bombeados 
por causa da tendência de íons de gás nobre previamente enterrados serem liberados, causando 
uma instabilidade em bombas de íons de diodo. Uma vista em corte de uma bomba de íons é 
mostrada na figura 12. 
 
 
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Elas são usadas em instrumentos analíticos, como espectrômetros de massa e 
microscópios eletrônicos. Elas também são usadas em aceleradores lineares e dispositivos de 
tubos de potência. 
Vantagens: 
➢ É limpa; 
➢ Isolamento completo do ambiente atmosférico; 
➢ Capaz de bombear qualquer gás, incluindo gases nobres, hidrocarbonetos e gases 
quimicamente inertes; 
Desvantagem: 
➢ A bomba deve ser ajustada ou substituída periodicamente. 
• Bomba criogênica 
Em uma bomba criogênica, o gás bombeado não é exaurido para a atmosfera, mas 
mantido dentro da bomba. O princípio geral de funcionamento das bombas criogênicas é o 
congelamento de uma espécie de gás em um sistema fechado. Os gases são condensados em 
uma superfície fria e retidos dentro da bomba. São utilizadas em aplicações que requerem 
vácuo ultra alto com pressões abaixo de 10 -7torr (1,3 x 10 -10 atm.). 
Uma bomba criogênica típica consiste em dois estágios de temperatura, cada um 
refrigerado por um refrigerador criogênico. Cada estágio esfria um painel no qual os gases 
congelam. O refrigerador do primeiro estágio resfria o painel externo para 50-75 Kelvin. O 
refrigerador do segundo estágio, também conhecido como estágio frio, resfria os painéis 
internos. Este estágio congelará nitrogênio, oxigênio ou argônio e será mantido entre 10 e 20 
Kelvin. Gases não congelados nos painéis do primeiro ou segundo estágio são absorvidos no 
carvão localizado na parte inferior dos painéis internos. 
As criogênicas são construídas como unidades autônomas sem saída: uma vez que os 
gases são congelados nas superfíciesda bomba criogênica, eles são retidos até que a bomba 
seja regenerada. 
Aplicações em ciências da superfície, produção de semicondutores, aceleração de 
partículas e câmaras de simulação espacial são usos comuns das bombas de criogenia. 
 
 
14 
 
Figura 13- Máquina física de deposição de vapor 
 
Imagem: Google imagens. 
 
 A câmara acima (figura 14) é usada em laboratório para realizar testes em componentes 
que serão posteriormente enviados para grandes altitudes. A câmara de vácuo térmico é usada 
pela às condições que eles experimentaram no espaço. A câmara remove quase todos os 
vestígios de ar e reduz a pressão para cerca de um bilionésimo da pressão atmosférica normal 
da Terra. 
Figura 14- Câmara de simulação de espaço 
 
Imagem: Google imagens 
 
Vantagens: 
➢ Limpar a bomba, livre de hidrocarbonetos; 
➢ Alta velocidade. 
Desvantagens: 
➢ Regeneração periódica necessária; 
➢ Possibilidade de sobrecarga ou outros problemas de operação. 
 
 
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• Bomba turbo molecular 
A ação de bombeamento de uma bomba turbo molecular é semelhante a uma bomba de 
palheta rotativa sem palhetas. 
Figura 15- Bomba Turbo Molecular 
 
Imagem: Google imagens 
Bombas turbo moleculares operam em condições de fluxo molecular. A ação de 
bombeamento é produzida por uma transferência de momento da superfície em movimento 
rápido para as moléculas de gás. As moléculas de gás colidem contra as lâminas inclinadas do 
impulsor rotativo, ganhando velocidade na direção da superfície móvel com a qual colidem. 
Figura 16 - Discos Rotativos 
 
Imagem: Google imagens 
A figura e o esquema do rotor rotativo da bomba turbo molecular mostram os discos 
rotativos alternativos (rotores) e as placas estacionárias (estatores). Os discos e as placas são 
cortados com ranhuras colocadas num ângulo de modo a que as moléculas de gás capturadas 
 
 
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nas ranhuras dos discos em movimento sejam projetadas na direção das ranhuras nas placas 
estacionárias. Essa projeção das moléculas de gás cria a ação de bombeamento. 
Figura 17 - Discos e Placas 
 
Imagem: Google imagens 
As bombas de vácuo turbo moleculares são usadas na composição de revestimentos 
ópticos e protetores, na produção de camadas magnéticas, na tecnologia nuclear, na 
instrumentação analítica e na produção de semicondutores, como mostrado abaixo. 
Figura 18 - Semicondutor 
 
Imagem: Google imagens 
Vantagens: 
➢ Nenhum fluido em movimento contaminante; 
➢ Inicialização / desligamento rápido; 
➢ Sem altas tensões; 
➢ Baixas despesas operacionais; 
➢ Bombeia todos os gases efetivamente; 
➢ Desempenho de bombeamento mais previsível. 
 
 
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Desvantagens: 
➢ Alto custo do equipamento; 
➢ Peças móveis sujeitas a desgaste; 
➢ Não é eficaz para uso com gases leves. 
3. CONCLUSÃO 
Em virtude do conteúdo sobre bombas de vácuo citadas no presente trabalho, é possível 
entender que existem diversas tipos de bombas, cada qual com uma vantagem específica sobre 
determinada situação. Em relação a isto, é imprescindível citar que para a aplicação de bombas, 
se faz necessário analisar as variáveis que o problema apresenta, seja no âmbito de altura de 
bombeamento, pressão, temperatura e o quanto de energia necessária para o deslocamento do 
fluido, para que haja o objetivo de ser listado e feito uma comparação de qual mecanismo de 
bomba é mais aplicável no cenário. 
Sobre considerações finais, é possível visualizar que bombas de vácuos englobam desde 
aplicações domésticas até industriais e que em geral, no âmbito industrial, o Engenheiro 
Químico é o profissional ideal para entender, optar e calcular o posicionamento e a necessidade 
de uma bomba em um processo, sendo também a Engenharia Mecânica e a Termodinâmica 
duas bases para o total entendimento para a aplicação das bombas a vácuo em qualquer situação 
industrial. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
[1] CAMPINAS. IFGW. Laboratório de Vácuo e Criogenia - Bombas de vácuo. Unicamp: 
IFGW. 2016. Acesso em 10 ago. 2019 
[2] GAMA, Sergio. F – 640 Introdução à Ciência e Tecnologia de Vácuo. Unicamp: IFGW. 
Campinas, 2002. (Apostila) 
[3] HANLON, John F. O'. A user's guide to vacuum technology. California: Wiley,2008. 402 
p. 
[4] SÃO PAULO. Pequena História das Invenções. Abril S.A. Cultural e Industrial, 1976 
[5] SÃO PAULO. USP-IF. Curso de Tecnologia no Vácuo. Acesso em: 10 ago. 2019.