Estudo detalhado de um sistema de alto-vácuo tubular cilíndrico

Abstract

Existem diversos processos encontrados tanto na indústria quanto na ciência onde é necessário e, em muitos casos, só é possível realizá-los em uma atmosfera com baixíssima concentração de partículas ou moléculas contaminantes ou residuais presentes em um ambiente. Por este motivo são projetados equipamentos e dispositivos que são capazes de reduzir a concentração de gases a um nível desejável para uma certa aplicação. Estes sistemas são comumente chamados de sistemas de vácuo e são, em princípio, compostos por bombas de vácuo, linha de bombeamento e uma câmara de vácuo, podendo possuir diferentes tamanhos e formas geométricas. Em certas aplicações é necessário operar em alto-vácuo, que é uma faixa de pressão que atua entre 10-3 mbar até 10-7 mbar e é caracterizado pelas partículas presentes na câmara colidirem mais entre as paredes do que entre elas (algo que diminui ainda mais quanto menor for a pressão). Este é um regime escoamento conhecido particularmente como regime molecular, tendo duas principais características importantes para a modelagem analítica e numérica que é de as partículas terem propagações completamente aleatórias e de se comportar como um fenômeno difusivo. Desta forma, é possível realizar soluções, no ponto de vista da modelagem contínua, utilizando as ferramentas equação de difusão (analítica ou numérica), podendo resolver como um fenômeno de transporte de calor por difusão, Monte-Carlo (numérica) e coleta do valor de pressão com medidores (experimental). Este trabalho teve como objetivo modelar um sistema de alto-vácuo de geometria tubular cilíndrica, que é uma forma muito comum utilizada tanto na indústria como na ciência, utilizando métodos analítico, numérico e experimental, tendo como resultado um campo de pressão de forma parabólica, onde é possível verificar o gradiente formado que representa o sentido em que as partículas e moléculas do sistema escoam.

There are various processes found both in industry and science where it is necessary, and in many cases only possible, to carry them out in an atmosphere with a very low concentration of contaminant or residual particles or molecules present in an environment. For this reason, equipment and devices are designed to reduce the concentration of gases to a desirable level for a certain application. These systems are commonly called vacuum systems and are, in principle, composed of vacuum pumps, pumping lines, and a vacuum chamber, and can have different sizes and geometric shapes. In certain applications, it is necessary to operate in high vacuum, which ranges from 10-3 mbar to 10-7 mbar and is characterized by particles in the chamber colliding more with the walls than with each other (something that decreases even more as the pressure decreases). This is a flow regime particularly known as the molecular regime, having two main important characteristics for analytical and numerical modeling: the particles propagate completely randomly and behave as a diffusive phenomenon. In this way, it is possible to use continuous modeling solutions and employ diffusion equation tools (analytical or numerical), solving it as a heat transport phenomenon by diffusion, Monte Carlo (numerical). This work aimed to model a high-vacuum system with cylindrical tubular geometry, a very common shape used in both industry and science, using analytical, numerical, and experimental methods. The result was a parabolic pressure field, where it is possible to verify the gradient formed that represents the direction in which the particles and molecules in the system flow.