Trabajo final termodinamica (1)
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INTEGRANTES: DE LA CRUZ RAMIREZ FELIX JESUS HUATAY RODRIGUEZ SAMUEL. JULCAMORO LEZAMA GINO. PELAEZ ESPINOZA JOAHO MARCO ROQUE CUEVA HAMILTON VICENTE UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO CURSO: TERMODINÁMICA II PROFESOR: PINEDO LUJAN CESAR FERNANDO TEMA: COMPRESORES DE AIRE, TURBOCOMPRESORES, SISTEMAS NEUMÁTICOS Y TUBERÍAS FECHA:29/10/2014 “AÑO DE LA PROMOCIÓN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO CLIMÁTICO” Universidad Nacional de Trujillo Termodinámica ll
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INTEGRANTES:
DE LA CRUZ RAMIREZ FELIX JESUS
HUATAY RODRIGUEZ SAMUEL.
JULCAMORO LEZAMA GINO.
PELAEZ ESPINOZA JOAHO MARCO
ROQUE CUEVA HAMILTON VICENTE
U N I V E R S I D A D N A C I O N A L
D E T R U J I L L O
C U R S O : T E R M O D I N Á M I C A I I
P R O F E S O R : P I N E D O L U J A N
C E S A R F E R N A N D O
T E M A : C O M P R E S O R E S D E
A I R E , T U R B O C O M P R E S O R E S ,
S I S T E M A S N E U M Á T I C O S Y
T U B E R Í A S
F E C H A : 2 9 / 1 0 / 2 0 1 4
“ A Ñ O D E L A P R O M O C I Ó N D E L A I N D U S T R I A R E S P O N S A B L E Y D E L
C O M P R O M I S O C L I M Á T I C O ”
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INTRODUCCIÓN
En el presente informe se dará a conocer aspectos básicos e intermedios sobre
los compresores de aire, turbocompresores, sistemas neumáticos y tuberías, con
el fin de que logremos aprender sus fundamentos y principios por la cual se rigen
tomando en cuenta su gran importancia para nuestro desarrollo profesional y
poder aplicarlo más adelante en la industria
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Índice:
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1. COMPRESORES DE AIRE
I. RESEÑA HISTÓRICA
La primera vez que se usó el aire comprimido sería
en el soplado de metales para su enfriamiento.
El invento del FUELLE favoreció la creación de
nuevos metales al alcanzarse temperaturas más
altas en los hornos.
En 1829, la primera fase o componente del
compresor atmosférico fue patentada. Dicho
componente comprimía oxígeno en cilindros
sucesivos.
Para 1872, la eficiencia del compresor fue mejorada
mediante el enfriamiento de los cilindros por motores
de agua, que causó a su vez la invención de cilindros
de agua.
En el siglo XVIII se construye el primer compresor
alternativo, en el XIX, se utiliza como fuente energética
para perforadoras de percusión, sistemas de correos,
frenos de trenes, ascensores, etc.
II. ¿QUE EN UN COMPRESOR DE AIRE?
Un compresor es un dispositivo que sirve para
comprimir fluido (Aire).
Un compresor de aire es una bomba que aspira
aire a presión y temperatura atmosférica,
accionado normalmente por un motor eléctrico, y lo
comprime hasta conferirle una presión superior en
un espacio reducido. Por ejemplo cuando inflamos
un globo.
Los compresores se diferencian por su caudal o
por su relación de compresión.
La relación de compresión es un número
adimensional que relaciona las presiones de entrada
FIGURA A1: FUELLE
FIGURA B1: COMPRESOR DE AIRE
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y salida del aire del compresor, es decir, informa del
aumento de presión que provoca el compresor. La
relación de compresión recomendada es de 5.0.
El caudal es la cantidad de aire comprimido que nos
proporciona el compresor en una unidad de tiempo,
es decir, la cantidad de aire del que se puede
disponer.
III. PROPIEDADES DEL AIRE COMPRIMIDO
1. ABUNDANTE
Está disponible para su compresión prácticamente en todo el mundo, en
cantidades ilimitadas.
2. TRANSPORTE
El aire comprimido puede ser fácilmente transportado por tuberías,
incluso a grandes distancias. No es necesario disponer tuberías de
retorno.
3. ALMACENABLE
No es preciso que un compresor permanezca continuamente en
servicio. El aire comprimido puede almacenarse en depósitos y tomarse
de éstos. Además, se puede transportar en recipientes (botellas).
4. TEMPERATURA
El aire comprimido es insensible a las variaciones de temperatura,
garantiza un trabajo seguro incluso a temperaturas extremas.
5. ANTIDEFLAGRANTE
No existe ningún riesgo de explosión ni incendio; por lo tanto, no es
necesario disponer instalaciones antideflagrantes, que son caras.
6. LIMPIO
El aire comprimido es limpio y, en caso de faltas de estanqueidad en
elementos, no produce ningún ensuciamiento Esto es muy importante
por ejemplo, en las industrias alimenticias, de la madera, textiles y del
cuero.
7. CONSTITUCIÓN DE LOS ELEMENTOS
La concepción de los elementos de trabajo es simple si, por tanto, precio
económico.
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8. VELOCIDAD
Es un medio de trabajo muy rápido y, por eso, permite obtener
velocidades de trabajo muy elevadas (La velocidad de trabajo de
cilindros neumáticos pueden regularse sin escalones.)
9. A PRUEBA DE SOBRECARGAS
Las herramientas y elementos de trabajo neumáticos pueden hasta su
parada completa sin riesgo alguno de sobrecargas.
10. FUERZA
El aire comprimido es económico sólo hasta cierta fuerza. Condicionado
por la presión de servicio normalmente usual de 700 kPa (7 bares), el
límite, también en función de la carrera y la velocidad, es de 20.000 a
30.000 N (2000 a 3000 kp).
11. ESCAPE
El escape de aire produce ruido. No obstante, este problema ya se ha
resuelto en gran parte, gracias al desarrollo de materiales
IV. USOS Y APLICACIONES DE COMPRESORES DE
AIRE
Son parte importantísima de muchos sistemas de
refrigeración y se encuentran en cada refrigerador
casero.
Se encuentran en sistemas de generación de
energía eléctrica.
Se encuentran en el interior de muchos motores de
avión, como lo son los turborreactores, y hacen
posible su funcionamiento.
Se pueden comprimir gases para la red de
alimentación de sistemas neumáticos, los cuales
mueven fábricas completas.
Elevadores neumáticos.
Destornilladores automáticos.
Tornos dentales.
Armas de aire comprimido
Equipos de minería (taladros roto percutores,
martillos picadores, lámparas, ventiladores y
muchos otros).
FIGURA C1: ELEVADORES NEUMATICOS
FIGURA C2: LIMPIADORES DE AIRE COMPRIMIDO
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Arranque de motores de avión.
Coches de aire comprimido y motores de aire
comprimido.
V. DESCRIPCION Y FUNCIONAMIENTO DE UN COMPRESOR DE UNA O
VARIAS FASES
En la figura siguiente presentamos el compresor de tres fases utilizado por
los motores Diesel Burmeister y Wain, como se aprecia en la misma la fase
de baja presión comprende la zona de mayor volumen de compresión
situada en la parte central, entre las fases de alta presión y medía presión.
Con tal disposición se evita el peligro de que los gases de aceite del cárter
puedan pasar al cilindro, como ocurriría durante el período de aspiración de
disponerse la fase de baja presión en la parte inferior.
A. El aire aspirado de la atmósfera, pasa a través de la válvula V1 a la
zona de baja presión por efecto del vacío producido por el émbolo,
en su movimiento descendente. En sus descensos el émbolo
comprime el aire situado en la zona de media presión, pasando dicho
aire comprimido a través de la válvula V3 al refrigerador de media
presión, y de este a la zona de alta presión a través de la válvula de
aspiración V5.
B. En el movimiento ascendente del émbolo, es comprimido el aire
inicialmente aspirado de la atmósfera y situado en la zona de baja
presión, este pasa por la válvula V2 a su refrigerador
correspondiente y de este a la zona de media presión a través de la
válvula V3.
C. El aire situado en la zona de alta presión es comprimido en el
movimiento ascendente del émbolo, pasando al refrigerador de alta
presión y a continuación a las botellas de almacenamiento.
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VI. FASES NECESARIAS EN ALTAS PRESIONES
El estudio de la teoría de los compresores de aire, se hace más fácil
considerando primeramente un compresor sin espacio neutro, y utilizando
para ello el diafragma PV de la figura E1.
El aire aspirado a la presión atmosférica, representado por la línea 4-1 y
cuyo volumen V corresponde al de su cilindrada, es comprimido según la
curva de compresión 1-5, hasta que la presión se eleva un poco por encima
de la presión de descarga P. Con el fin de hacer mínimo el trabajo
empleado en la compresión, debería ser dicha evolución una isotérmica, no
siendo ello posible aun cuando se refrigeren las paredes del cilindro, por lo
que dicha evolución tiene un carácter de curva politrópica de ecuación:
𝐏𝐕𝐤 = constante
Cuyo valor de exponente oscila entre 1,17 y 1,35.
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La fase 2-5 representa la salida del aire a presión constante a través de la
válvula de descarga, y la 3-4 la caída instantánea de la presión hasta
igualarse con la atmosférica, al abrirse la válvula de aspiración.
El diafragma PV representado corresponde a un compresor hipotético que
no tiene volumen muerto. En la realidad no es posible obtener un volumen
muerto nulo (El espacio muerto o volumen nocivo V0 corresponde al
volumen residual entre el pistón y el fondo del cilindro y las lumbreras de las
válvulas, cuando el pistón está en su punto muerto, estimándose entre un
3% ¸ 10% de la carrera, de acuerdo con el modelo de compresor), ni
tampoco pensar con un descenso instantáneo de la presión. En efecto, al
final de la carrera de compresión, la válvula de descarga regresa a su
asiento pero queda una pequeña cantidad de aire comprimido a elevada
presión, retenida en el espacio neutro entre el émbolo y el fondo del
cilindro.
Durante la carrera de aspiración del émbolo, el aire que queda en el
volumen muerto, debe de expansionarse hasta la presión de aspiración
antes de que se abra la válvula correspondiente.
Así, pues, debido al volumen muerto, el aspecto real de dicha fase queda
representado por la curva D1 A1 del diafragma, que para mayor comodidad
se repite y modifica en la figura E2.
La compresión al ser una evolución politrópica da lugar a un aumento de la
temperatura, pudiendo ésta ser calculada por la expresión:
FIGURA E1: DIAGRAMA P-V
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Siendo Ta la temperatura inicial, Tc la temperatura final, Pa la presión inicial y Pc
la final.
El elevado valor de la presión que se requiere en las instalaciones marinas hace
que no sea posible lograrla con una sola compresión, es decir, con un solo
cilindro, a causa de las altas temperaturas que fácilmente se deducen de la
anterior expresión. Debe, pues, emplearse varios saltos de presión o escalones
con refrigeración intermedia.
En la figura E3 está representado el diafragma PV de un compresor de tres fases
de compresión.
En él se aprecia la pérdida de presión entre el punto D (diafragma de baja presión)
y el punto A1 en que se inicia el diafragma de la media presión. Dicha pérdida es
debida a la refrigeración y conductos intermedios. Lo mismo ocurre en el paso de
la media presión al alta.
Figura E3
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VII. CALCULO DE LA PRESION MAXIMA EN CADA FASE
Generalmente los valores de las presiones en un compresor de tres fases
es el siguiente:
Baja presión........................... 3 kgs/cm2
Media presión........................ 12 a 20 kgs/cm2
Alta presión........................... 60 a 70 kgs/cm2
La presión máxima de cada fase se obtiene en función de la presión final,
cuando se cumpla para todas ellas el mismo grado de compresión, así
pues:
a) Para compresores de dos fases:
Pi = √Pc
Siendo Pi la presión intermedia obtenida después de la primera fase.
b) Para compresores de tres fases:
Pi = √Pc3
Pi = √Pc23
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VIII. RENDIMIENTO VOLUMETRICO
La relación entre el volumen de la carga realmente aspirada por el
compresor y el volumen de la cilindrada disponible, recibe el nombre de
rendimiento volumétrico, y se representa por la expresión:
Rendimiento Volumetrico =Volumen de aire aspirado
Volumen de la cilindrada
IX. TIPOS DE COMPRESORES
A. COMPRESORES DE ÉMBOLO O DE PISTÓN
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Compresor de émbolo oscilante. Este es el tipo de compresor más
difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta
presión. Su campo de trabajo se extiende desde unos 1.100 kPa (1 bar) a
varios miles de kPa (bar). Figura: Compresor de émbolo oscilante
Este compresor funciona en base a un mecanismo de excéntrica que
controla el movimiento alternativo de los pistones en el cilindro. Cuando el
pistón hace la carrera de retroceso aumenta el volumen de la cámara por lo
que aumenta el volumen de la cámara, por lo que disminuye la presión
interna, esto a su vez provoca la apertura de la válvula de admisión
permitiendo la entrada de aire al cilindro. Una vez que el pistón ha llegado
al punto muerto inferior inicia su carrera ascendente, cerrándose la válvula
de aspiración y disminuyendo el volumen disponible para el aire, esta
situación origina un aumento de presión que finalmente abre la válvula de
descarga permitiendo la salida del aire comprimido ya sea a una segunda
etapa o bien al acumulador.
Es el compresor más difundido a nivel industrial, dada su capacidad de
trabajar en cualquier rango de presión. Normalmente, se fabrican de una
etapa hasta presiones de 5 bar, de dos etapas para presiones de 5 a 10 bar
y para presiones mayores, 3 o más etapas.
FIGURA: COMPRESOR DE ÉMBOLO OSCILANTE
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Algunos fabricantes ya están usando tecnología denominada libre de
aceite, vale decir, sus compresores no utilizan aceite lo que los hace muy
apetecibles para la industria químico farmacéutica y hospitales.
Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias
etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa
por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido
por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión
es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de
compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por
el sistema refrigeración.
Los compresores de émbolo oscilante pueden refrigerarse por aire o por
agua, y según las prescripciones de trabajo las etapas que se precisan son:
B. COMPRESOR DE DIAFRAGMA
(MEMBRANA)
Este tipo forma parte del grupo de
compresores de émbolo. Una membrana
separa el émbolo de la cámara de trabajo; el
aire no entra en contacto con las piezas
móviles. Por tanto, en todo caso, el aire
comprimido estará exento de aceite.
El movimiento obtenido del motor, acciona una
excéntrica y por su intermedio el conjunto
biela - pistón. Esta acción somete a la
membrana a un vaivén de desplazamientos cortos
e intermitentes que desarrolla el principio de aspiración y compresión.
Debido a que el aire no entra en contacto con elementos lubricados, el aire
comprimido resulta de una mayor pureza, por lo que lo hace especialmente
aplicable en industrias alimenticias, farmacéuticas, químicas y hospitales.
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C. COMPRESOR ROTATIVO MULTICELULAR
Un rotor excéntrico gira en el interior de un cárter cilíndrico provisto de
ranuras de entrada y de salida. Las ventajas de este compresor residen en
sus dimensiones reducidas, su funcionamiento silencioso y su caudal
prácticamente uniforme y sin sacudidas.
El rotor está provisto de un cierto número de aletas que se deslizan en el
interior de las ranuras y forman las células con la pared del cárter. Cuando
el rotor gira, las aletas son oprimidas por la fuerza centrífuga contra la
pared del cárter, y debido a la excentricidad el volumen de las células varía
constantemente.
Tiene la ventaja de generar grandes cantidades de aire pero con vestigios
de aceite, por lo que en aquellas empresas en que no es indispensable la
esterilidad presta un gran servicio, al mismo tiempo el aceite pulverizado en
el aire lubrica las válvulas y elementos de control y potencia.
D. COMPRESOR DE TORNILLO HELICOIDAL, DE DOS EJES
Dos tornillos helicoidales que engranan con sus perfiles cóncavo y convexo
impulsan hacia el otro lado el aire aspirado axialmente. Los tornillos del tipo
helicoidal engranan con sus perfiles y de ese modo se logra reducir el
espacio de que dispone el aire. Esta situación genera un aumento de la
presión interna del aire y además por la rotación y el sentido de las hélices
es impulsado hacia el extremo opuesto.
Los ciclos se traslapan, con lo cual se logra un flujo continuo. A fin de evitar
el desgaste de los tornillos, estos no se tocan entre sí, ni tampoco con la
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carcasa, lo cual obliga a utilizar un mecanismo de transmisión externo que
permita sincronizar el movimiento de ambos elementos.
Entrega caudales y presiones medios altos (600 a 40000m³/h y 25 bar) pero
menos presencia de aceite que el de paletas. Ampliamente utilizado en la
industria de la madera, por su limpieza y capacidad.
E. COMPRESOR ROOTS
En estos compresores, el aire es llevado de un lado a otro sin que el
volumen sea modificado. En el lado de impulsión, la estanqueidad se
asegura mediante los bordes de los émbolos rotativos.
Como ventaja presenta el hecho que puede proporcionar un gran caudal, lo
que lo hace especial para empresas que requieren soplar, mover gran
cantidad de aire, su uso es muy limitado.
El accionamiento también se asegura exteriormente, ya que por la forma de
los elementos y la acción del roce no es conveniente que los émbolos
entren en contacto
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TURBOCOMPRESORES
Trabajan según el principio de la dinámica de los fluidos, y son muy
apropiados para grandes caudales. Se fabrican de tipo axial y radial. El aire
se pone en circulación por medio de una o varias ruedas de turbina. Esta
energía cinética se convierte en una energía elástica de compresión.
F. COMPRESOR AXIAL
El proceso de obtener un aumento de la energía de presión a la salida del
compresor se logra de la siguiente manera. La rotación acelera el fluido en
el sentido axial comunicándole de esta forma una gran cantidad de energía
cinética a la salida del compresor, y por la forma constructiva, se le ofrece
al aire un mayor espacio de modo que obligan a una reducción de la
velocidad. Esta reducción se traduce en una disminución de la energía
cinética, lo que se justifica por haberse transformado en energía de presión.
Con este tipo de compresor se pueden lograr grandes caudales (200.000 a
500.000 m³/h) con flujo uniforme pero a presiones relativamente bajas (5
bares).
G. COMPRESOR RADIAL
En este caso, el aumento de presión del aire se obtiene utilizando el mismo
principio anterior, con la diferencia de que en este caso el fluido es
impulsado una o más veces en el sentido radial. Por efecto de la rotación,
los álabes comunican energía cinética y lo dirigen radialmente hacia fuera,
hasta encontrarse con la pared o carcasa que lo retorna al centro,
cambiando su dirección. En esta parte del proceso el aire dispone de un
mayor espacio disminuyendo por tanto la velocidad y la energía cinética, lo
que se traduce en la transformación de presión. Este proceso se realiza tres
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veces en el caso de la figura, por lo cual el compresor es de tres etapas. Se
logran grandes caudales pero a presiones también bajas.
DIAGRAMA DE PRESIÓN - CAUDAL
X. ELECCIÓN DEL COMPRESOR
a. CAUDAL
Por caudal entiendo la cantidad de aire que suministra el compresor.
Existen dos conceptos.
1. El caudal teórico
ACELERACIÓN PROGRESIVA DE CÁMARA A CÁMARA EN SENTIDO
RADIAL HACIA AFUERA; EL AIRE EN CIRCULACIÓN REGRESA DE NUEVO AL EJE. DESDE AQUÍ SE VUELVE A
ACELERAR HACIA AFUERA.
EN ESTE DIAGRAMA ESTÁN INDICADAS LAS ZONAS DE CANTIDADES DE AIRE ASPIRADO Y LA PRESIÓN PARA CADA TIPO DE COMPRESOR.
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2. El caudal efectivo o real
En el compresor de émbolo oscilante, el caudal teórico es igual al
producto de cilindrada y velocidad de rotación. El caudal efectivo
depende de la construcción del compresor y de la presión. En este
caso, el rendimiento volumétrico es muy importante.
Es interesante conocer el caudal efectivo del compresor. Sólo éste
es el que acciona y regula los equipos neumáticos.
Los valores indicados según las normas representan valores
efectivos (ej.: DIN 1945).
El caudal se expresa en m3/min ó m3/h.
No obstante, son numerosos los fabricantes que solamente indican
el caudal teórico.
b. PRESIÓN
También se distinguen dos conceptos:
La presión de servicio es la suministrada por el compresor o
acumulador y existe en las tuberías que alimentan a los
consumidores.
La presión de trabajo es la necesaria en el puesto de trabajo
considerado.
En la mayoría de los casos, es de 600 kPa (6 bares).
Por eso, los datos de servicio de los elementos se refieren a esta
presión.
Importante:
Para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es necesario que
la presión tenga un valor constante. De ésta dependen:
o La velocidad
o Las fuerzas
o El desarrollo secuencial de las fases de los elementos de
trabajo.
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c. ACCIONAMIENTO
Los compresores se accionan, según las exigencias, por medio de
un motor eléctrico o de explosión interna. En la industria, en la
mayoría de los casos los compresores se arrastran por medio de un
motor eléctrico. Generalmente el motor gira un número de rpm fijo
por lo cual se hace necesario regular el movimiento a través de un
sistema de transmisión compuesto en la mayoría de los casos por un
sistema de poleas y correas.
Aunque la aplicación anterior es la más difundida y utilizada
industrialmente, el elemento de accionamiento también puede ser un
motor de combustión interna. Este tipo de energía es especialmente
útil para trabajos en terreno en que no se cuenta con electricidad.
Si se trata de un compresor móvil, éste en la mayoría de los casos
se acciona por medio de un motor de combustión (gasolina, Diesel).
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d. REGULACIÓN
Al objeto de adaptar el caudal suministrado por el compresor al
consumo que fluctúa, se debe proceder a ciertas regulaciones del
compresor. Existen diferentes clases de regulaciones. El caudal
varía entro dos valores límites ajustados (presiones máxima y
mínima).
REGULACIÓN DE MARCHA EN VACÍO
a) Regulación por escape a la atmósfera
b) Regulación por aislamiento de la aspiración
c) Regulación por apertura de la aspiración
REGULACIÓN DE CARGA PARCIAL
a) Regulación de velocidad de rotación
b) Regulación por estrangulación de la aspiración
2. TURBOCOMPRESORES
2.1 DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS GENERALES
Los turbocompresores son turbomáquinas térmicas que sirven para comprimir un gas; se pueden dividir en dos grupos: soplantes y turbocompresores. Los turbocompresores propiamente dichos, son máquinas térmicas que comprimen gases con relaciones de compresión mayor a 3, y por ello tienen incorporada refrigeración, a no ser que su destino aconseje lo contrario, como sucede en los turbocompresores de las turbinas de gas. Los turbocompresores pueden ser radiales o centrífugos, diagonales (Semiaxiales o de flujo mixto) y axiales, siendo los primeros y los últimos los más importantes. Uno de los factores que más han influido en la investigación de la mejora de rendimientos en los turbocompresores ha sido el desarrollo espectacular de la turbina de gas en los últimos años, ya que el turbocompresor forma parte integral de dicha máquina; la potencia neta de una turbina de gas es igual a la potencia útil desarrollada por la turbina, menos la potencia absorbida por el turbocompresor, por lo que la mejora del rendimiento del turbocompresor es de gran influencia en el desarrollo de la turbina de gas.
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Los primeros turbocompresores axiales se construyeron alrededor de 1900 por Sir Charles Parsons; tenían una baja relación de compresión, así como rendimientos muy modestos, del orden del 55%, por lo que se abandonaron en favor de los turbocompresores centrífugos de varios escalonamientos por su más alto rendimiento, del 70% al 80%. Hasta el año 1926 no se emprendieron más desarrollos de turbocompresores axiales, en que A. A. Griffith establece los principios básicos de su teoría del perfil aerodinámico, para el diseño de los álabes de los turbocompresores y turbinas. Los turbocompresores actuales sobrepasan rendimientos del 90%, con relaciones de compresión mayores de 30. La compresión de gases, y muy especialmente la del aire, es un proceso industrial muy frecuente; si los caudales de aire o de gas son relativamente elevados, y las presiones no son excesivas, el turbocompresor aventaja a los compresores alternativos y rotativos de desplazamiento positivo.
Fig. 2.1 Pruebas de un motor turbofán Pratt & Whitney F100para un caza F-15 Eagle,
Base de la Fuerza Aérea Robins (Georgia, Estados Unidos)
2.2 LAS VENTAJAS DE LOS TURBOCOMPRESORES EN COMPARACIÓN CON LOS COMPRESORES ALTERNATIVOS SON:
- Construcción compacta - Volumen de máquina reducido - Seguridad de funcionamiento - Mantenimiento prácticamente nulo
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- Carencia de desgaste - Escasa cimentación - Montaje sencillo - Marcha exenta de vibraciones - Regulación progresiva fácil - Carencia de vibraciones en los conductos de gas - Empleo de motores eléctricos normales, para su accionamiento - Pequeño consumo de corriente eléctrica en el arranque - Carencia de problemas de mezcla del aceite de lubricación con el gas, etc.
Estas ventajas justifican la introducción del turbocompresor en la industria y su penetración cada vez mayor en el campo hasta ahora reservado a los compresores alternativos, sobre todo cuando se requieren caudales másicos elevados. 2.3 COMPARACIÓN DE LOS TURBOCOMPRESORES CENTRÍFUGOS Y LOS AXIALES
a) El turbocompresor centrífugo tiene las siguientes ventajas sobre el turbocompresor axial:
- Mayor robustez y, por tanto, mayor seguridad en la explotación - Menor número de escalonamientos - Mayor facilidad de alojamiento de los sistemas de refrigeración intermedia - Mayor zona de estabilidad de funcionamiento, por lo que respecta al fenómeno de bombeo.
b) El turbocompresor axial ofrece las siguientes ventajas con relación al
turbocompresor radial:
- Mejor rendimiento - Para un mismo gasto másico y presión, mayor número de revoluciones - El turbocompresor axial tiene menor volumen, menor superficie frontal, y menor peso para igualdad de gasto másico y de relación de compresión. Esta ventaja es excepcionalmente importante en aviación, e históricamente constituyó el estímulo para la evolución del turbocompresor axial con destino a los turborreactores; la ventaja se hace patente en el campo de las relaciones de compresión elevadas y grandes potencias; por esta razón, los turbocompresores de los motores Turbina de gas de gran potencia suelen ser axiales y los de los motores Turbina de gas de pequeña potencia, radiales.
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2.4 RENDIMIENTO DE LOS TC. Aunque el turbocompresor axial tiene mejor rendimiento que el radial, es mucho más sensible a las variaciones de la carga; su rendimiento disminuye más rápidamente al variar las condiciones de funcionamiento con relación al punto de diseño, Fig. 2.1; la curva de rendimiento en función del gasto másico del turbocompresor radial es más plana (horizontal) que la del turbocompresor axial.
Gráfico 2.1 Curvas típicas de rendimiento a cargas parciales De un TC: a) radial; b) axial.
2.5 CAMPO DE APLICACIÓN Los turbocompresores radiales permiten: - Velocidades periféricas máximas en el primer escalonamiento, 450 ÷ 500 m/seg. - Relación de compresión:
De un escalonamiento: 1,7-3 (a veces hasta 5 )
Turbocompresor de escalonamiento único ≤5
Turbocompresor de dos escalonamientos ≤7
- Caudal másico:
Aspiración sencilla ≤30 kg/seg.
Aspiración doble ≤60 kg/seg. Los turbocompresores axiales permiten: - Velocidades periféricas máximas en el primer escalonamiento: 250 ÷ 350 m/seg. - Coeficiente de presión y de un escalonamiento: 0,6 ÷ 1 - Relación de compresión de un escalonamiento: 1,1 ÷ 1,2 (a veces hasta 1,3)
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-Número de escalonamientos:
Para: εc= 6 ; z = 10 ÷ 12
I. Turbocompresor Centrífugo
Los dos procesos que tienen lugar en el interior de un turbocompresor centrífugo, son:
i. Un aumento de la energía cinética del gas (presión dinámica), y también
algo la estática, desde (1) a (2) merced al elevado valor que alcanza c2. Este proceso tiene lugar en el rodete, que tiene como misión acelerar el gas, que es aspirado axialmente hacia el centro del rodete, y cambia su dirección en 90º convirtiéndolo en un flujo radial.
Fig. 2.2 Secciones de un compresor centrífugo de álabes curvados hacia
atrás a) Corte transversal, b) corte meridional, c) triangulo de velocidades
Cuando el rodete de un turbocompresor centrífugo gira en presencia de un gas, la fuerza centrífuga le empuja desde la boca de entrada del rodete hasta el final del álabe. La velocidad del fluido a la salida del álabe originada por esta fuerza centrífuga es w2. Por otra parte, el fluido es empujado también en la dirección de la trayectoria del extremo exterior del álabe, punto donde la velocidad es, u2 = r2 w. Estas dos velocidades, que actúan simultáneamente sobre el fluido a la salida del álabe, se combinan entre sí para dar en dicha salida una resultante c2 que es, en magnitud y sentido, la velocidad absoluta a la que realmente el fluido abandona el álabe, cuyo valor suele ser del orden del (50-70%) de u2, dependiendo del ángulo β2 a la salida.
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ii. Disminución gradual, sin turbulencias, de la velocidad alcanzada por el gas en el rodete, consiguiéndose como contrapartida una elevación de la presión estática. . Fig. 2.3 Se muestran los cambios de velocidad y presión estática que
El gas experimenta a su paso por el turbocompresor centrífugo.
a) Procedimientos Entrada en el compresor.- En el turbocompresor centrífugo, el gas entra en el compresor por el dispositivo de admisión, que debe garantizar una entrada uniforme del mismo en el rodete con un mínimo de pérdidas. Este dispositivo puede ser axial o acodado. El rodete.- Consta de un cierto número de álabes, que pueden ir dispuestos de varias formas: - Se fijan al cubo del rodete, como en la figura a), que representa un rodete abierto - Se fijan en un solo disco a un lado del mismo, como en la b), que representa un rodete semiabierto de simple aspiración - Se fijan a uno y otro lado del disco, como en la c), que representa un rodete semiabierto de doble aspiración (construcción a la que se recurre cuando el caudal volumétrico en la aspiración es superior a los 50 m3/seg - Se fijan entre la superficie anterior 1 y posterior 2, como en la d), que corresponde a un rodete cerrado.
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Fig. 2.4 Tipos de perfiles de los rodetes o impulsores
- El rodete de tipo abierto, a), tiene mal rendimiento y poca resistencia; sólo permite velocidades periféricas muy pequeñas, por lo que cada vez es menos empleado.
- El rodete de tipo cerrado, e), tiene buen rendimiento, pero es de difícil construcción y sólo permite velocidades periféricas moderadas.
- El rodete de tipo semiabierto, b), es muy empleado.
Fig. 2.5 Rodete de turbocompresor con alabes de salida radial, Curvada a la entrada, semiabierto.
En los turbocompresores centrífugos de alta presión de escalonamientos múltiples, con frecuencia los dos primeros escalonamientos se construyen de doble aspiración, lo que tiene la ventaja de optimizar los últimos escalonamientos para una velocidad de rotación dada.
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El desarrollo en los últimos años ha ido: - Hacia caudales mayores, que se han logrado aumentando el diámetro de la boca de aspiración, disminuyendo el diámetro del cubo y aumentando el ancho del rodete y la velocidad de rotación. - Hacia relaciones de compresión por escalonamiento también mayores, que se ha conseguido con ángulos de salida grandes del orden de 90º y grandes velocidades de rotación. El parámetro fundamental que caracteriza el álabe de un turbocompresor es el ángulo de salida β2 y, según él, se clasifican los álabes en:
- Alabes curvados hacia atrás, β2 < 90º, Fig. a - Alabes curvados hacia adelante, β2 > 90º, Fig. b - Alabes de salida radial, β2 = 90º, Fig. c -
- Fig.2.6 Disposición de los álabes en el rodete
En los turbocompresores centrífugos de alta presión de escalonamientos múltiples, con frecuencia los dos primeros escalonamientos se construyen de doble aspiración, lo que tiene la ventaja de optimizar los últimos escalonamientos para una velocidad de rotación dada.
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La construcción con salida radial, β2 = 90º, reduce los esfuerzos centrífugos prácticamente a esfuerzos de tracción; de ahí que para la fijación de los álabes sólo se requiera un disco (rodete semiabierto); con este tipo de rodete se obtienen velocidades periféricas elevadísimas, pudiéndose llegar a los 500 m/seg.
intervalo, 25º< β2< 50º, siendo valores corrientes en los turbocompresores centrífugos los comprendidos entre 25º y 60º. El sistema difusor suele constar al menos de una caja espiral, a la cual se añade con frecuencia uno de los siguientes elementos: corona directriz, cono difusor, o los dos simultáneamente. El sistema difusor de la figura de abajo, consta de caja espiral y cono difusor.
Fig. 2.7 Sistema difusor con Caja Espiral y cono difusor
El turbocompresor de la Figura de abajo, posee una corona directriz con álabes, con lo cual se mejora en gran manera el rendimiento de la difusión.
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Fig. 2.8 Turbocompresor con corona directriz de álabes
En diseños sencillos se dispone una corona directriz sin álabes, que a veces queda reducida a una simple caja de paredes paralelas. La velocidad periférica a la salida del rodete u2 influye en la presión p2 que se alcanza en el rodete. La resistencia del rodete a los esfuerzos centrífugos limita esta velocidad u2, lo cual implica que la relación de compresión máxima que se alcanza puede llegar, en algunos casos particulares, al valor 4 y aún mayor. La velocidad u2 máxima en los rodetes de fundición de hierro está limitada a unos 40 m/seg, mientras que en los rodetes de acero puede llegar hasta los 300 m/seg. En construcciones especiales con aceros aleados se llega hasta los 500 m/seg. RELACIÓN DE COMPRESIÓN MÁXIMA EN UN TC DE VARIOS ESCALONAMIENTOS Si se colocan unos cuantos rodetes en serie, como los representados en la figura, la relación de compresión total del turbocompresor es igual al producto de las relaciones de compresión de cada escalonamiento; si la relación de compresión es la misma para todos los escalonamientos, resulta igual a la enésima potencia de dicha relación de compresión, siendo Z el número de escalonamientos.
Fig. 2.9 Dos rodetes y la relación de compresión
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E es la entrada en el rodete, R los álabes móviles del rodete, F la corona directriz con álabes fijos, que a expensas de la energía cinética del gas incrementa la presión del mismo; rodeando el diafragma D de separación de los dos escalonamientos se encuentran el conducto inversor sin álabes I, de donde pasa el gas a la corona directriz de flujo centrípeto C, que constituye el elemento característico de los turbocompresores de varios escalonamientos.
Turbocargador como Ejemplo Práctico
Es un sistema de sobrealimentación que usa una turbina centrífuga para accionar mediante un eje coaxial con ella, un compresor centrífugo para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustión interna alternativos, especialmente en los motores diésel.
Funcionamiento
En los motores sobrealimentados mediante este sistema, el turbocompresor
consiste en una turbina accionada por los gases de escape del motor de
explosión, en cuyo eje se fija un compresor centrífugo que toma el aire a presión
atmosférica después de pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para
introducirlo en los cilindros a mayor presión.
Fig. 2.10 Turbocargador Instalado en el Sistema de escape del motor,
Entre el colector de escape y el tubo de escape
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Fig. 2.11 Partes De un Turbocargador
Los gases de escape inciden radialmente en la turbina, saliendo axialmente,
después de ceder gran parte de su energía interna (mecánica + térmica) a la
misma.
El aire entra al compresor axialmente, saliendo radialmente, con el efecto
secundario negativo de un aumento de la temperatura más o menos considerable.
Este efecto se contrarresta en gran medida con el intercooler.
Fig. 2.12 Fluidos de trabajos en el Turbocargador
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Este aumento de la presión consigue introducir en el cilindro una mayor cantidad
de oxígeno (masa) que la masa normal que el cilindro aspiraría a presión
atmosférica, obteniéndose más par motor en cada carrera útil (carrera de
expansión) y por lo tanto más potencia que un motor atmosférico de cilindrada
equivalente, y con un incremento de consumo proporcional al aumento de masa
de aire en el motor de gasolina. En los diésel la masa de aire no es proporcional al
caudal de combustible, siempre entra aire en exceso al carecer de mariposa, por
ello es en este tipo de motores en donde se ha encontrado su máxima aplicación
(motor turbodiésel).
Fig. 2.13 Temperaturas en los procesos del Turbocargador
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Los turbocompresores más pequeños y de presión de soplado más baja ejercen
una presión máxima de 0,25 bar (3,625 psi), mientras que los más grandes
alcanzan los 1,5 bar (21,75 psi). En motores de competición se llega a presiones
de 3 y 8 bares dependiendo de si el motor es gasolina o diésel.
Como la energía utilizada para comprimir el aire de admisión proviene de los
gases de escape, que se desecharía en un motor atmosférico, no resta potencia al
motor cuando el turbocompresor está trabajando, tampoco provoca pérdidas fuera
del rango de trabajo del turbo, a diferencia de otros, como los sistemas con
compresor mecánico (sistemas en los que el compresor es accionado por
una polea conectada al cigüeñal)
- Consideraciones
Válvula llamada waste-gate
Esta válvula evita presiones excesivas que dañen el motor, La waste-gate o
válvula de descarga es la que regula que cantidad de gases de escape se fugan
de la caracola del turbo directamente hacia el escape mediante la apertura de la
válvula, de esa forma a más gases fugados menos presión de turbo, con la válvula
cerrada se alcanza la máxima presión del turbo al pasar todos los gases de
escape por la caracola
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Fig. 2.14 Válvula tipo Waste-Gate dentro del caracol de escape
Refrigeración
Normalmente el turbocompresor suele estar refrigerado con aceite que circula
mientras el motor está en marcha. Si se apaga bruscamente el motor después de
un uso intensivo y el turbocompresor está muy caliente, el aceite que refrigera
los cojinetes del turbocompresor se queda estancado y su temperatura aumenta,
con lo que se puede empezar a carbonizar, disminuyendo su capacidad lubricante
y acortando la vida útil del turbocompresor.
El turbo timer es un sistema que mantiene circulando el aceite en el
turbocompresor durante un lapso de tiempo después del apagado del motor.
Algunos modelos funcionan con sensores que detectan la intensidad en el uso del
turbocompresor para permitir la lubricación forzada del mismo por un tiempo
prudencial después del apagado del motor.
Sensible a la presión
Los motores provistos de turbocargador padecen de una demora mayor en la
disposición de la potencia que los motores atmosféricos (NA Normal Aspiration o
Aspiración Normal) o con compresor mecánico, debido a que el rendimiento del
turbocompresor depende de la presión ejercida por éste. En esta demora influyen
la inercia del grupo (su diámetro y peso) y el volumen del colector entre la turbina
y la salida de los gases de escape del cilindro.
Un turbocargador no funciona de igual manera en distintos regímenes de motor. A
bajas revoluciones, el turbocargador no ejerce presión porque la escasa cantidad
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de gases no empuja con suficiente fuerza. Un turbocompresor más pequeño evita
la demora en la respuesta, pero ejerce menos fuerza a altas revoluciones.
Distintos fabricantes de motores han diseñado soluciones a este problema:
Un biturbo
Un biturbo en paralelo
Un turbocargador asimétrico
Un biturbo secuencial
Un turbocargador de geometría variable
Turbos de geometría variable (VTG)
Los turbos convencionales tienen el inconveniente que a bajas revoluciones del motor el rodete de la turbina apenas es impulsada por los gases de escape, por lo que el motor se comporta como si fuera atmosférico. Una solución para esto es utilizar un turbo pequeño de bajo soplado que empiece a comprimir el aire aspirado por el motor desde muy bajas revoluciones, pero esto tiene un inconveniente, y es que a altas revoluciones del motor el turbo de bajo soplado no tiene capacidad suficiente para comprimir todo el aire que necesita el motor, por lo tanto, la potencia que ganamos a bajas revoluciones la perdemos a altas revoluciones. Para corregir este inconveniente se ha buscado la solución de dotar a una misma maquina soplante la capacidad de comprimir el aire con eficacia tanto a bajas revoluciones como a altas, para ello se han desarrollado los turbocompresores de geometría variable.
Fig. 2.14 Partes de un VTG
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Fig. 2.15 Partes del Sistema de Mando de un VTG
Tipo de Accionamiento de un VTG
- Accionamiento Neumático
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Fig. 2.16 Turbocompresor VTG con un accionamiento neumático
- Accionamiento Eléctrico
Fig. 2.17 Accionamiento Eléctrico de un Turbocompresor
De Motor de combustión interna.
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- Recomendación:
Si los alabes están en apertura máxima, indica que hay una avería ya que la
máxima inclinación la adoptan para la función de emergencia.
Por su diseño y geometría hace costoso las reparaciones y por ello los
distribuidores suministran unidades nuevas en vez de ofrecer servicios de
reparación.
II. Turbocompresores Axiales
Cuando se comparan los compresores axiales con las turbinas axiales, las diferencias provienen de los propios procesos del flujo; cuando el fluido se acelera rápidamente en un conducto sufre una pérdida moderada de presión de remanso, pero cuando experimenta una rápida deceleración, que provoca un gradiente adverso de presión, se puede producir desprendimiento del flujo y, en consecuencia, grandes pérdidas. Para limitar estas pérdidas, es necesario mantener la relación de deceleración del flujo a través de las coronas de álabes en valores bajos, circunstancia que implica el que para una relación de compresión dada, un turbocompresor axial tenga muchos más escalonamientos que una turbina axial. Su diseño entraña una gran dificultad dada la importancia especial que el método aerodinámico y el método de diseño de los álabes con torsión tiene en estas máquinas. El ángulo de desviación (β1-β2) de los álabes de un turbocompresor axial tiene que ser muy reducido si se quiere mantener un rendimiento elevado, siendo inferior a 45º, mientras que en las Turbinas de vapor o de gas es mucho mayor. Análisis bidimensional del escalonamiento de un compresor axial.- Un escalonamiento de un turbocompresor axial consiste en una corona de álabes móviles o rotor seguida de otra de álabes fijos o estator. Los álabes del rotor están montados sobre un tambor y los del estator sobre la carcasa. Fig. 2.18 Escalonamiento de un turbocompresor axial y triángulos de velocidades
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Rotor.- El proceso en el rotor es un proceso adiabático en el que se transfiere trabajo al fluido. El fluido llega a los álabes del rotor con una velocidad absoluta c1, que forma un ángulo β1 con la dirección axial, y atraviesa los conductos divergentes formados por los álabes del rotor, que ceden energía mecánica al fluido aumentando su energía cinética y su presión estática. El fluido sale del rotor con una velocidad relativa w2< w1 y una velocidad absoluta c2 > c1, debido a la energía cedida por el rotor. A continuación, el fluido atraviesa los conductos divergentes que forman los álabes del estator decelerándose y aumentando consecuentemente su presión estática. En la actualidad el turbocompresor axial predomine sobre el turbocompresor centrífugo en el campo de las grandes potencias, grandes caudales e incluso grandes relaciones de compresión, del orden de εc = 4, que se alcanzan aumentando el número de escalonamientos. Estos escalonamientos se suceden unos a otros, ya sean de tambor o de disco, constituyendo una máquina compacta con una reducida sección transversal, lo que constituye una gran ventaja sobre el turbocompresor centrífugo, sobre todo en la aplicación a los turborreactores de los aviones que precisan de pequeñas superficies frontales. Los turbocompresores axiales pueden ser subsónicos y supersónicos; en esta sección sólo trataremos los turbocompresores subsónicos, que son los más corrientes.
Fig. 2.19 Estructura de un compresor multi-etapas
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Por lo que respecta a las pérdidas, saltos entálpicos, rendimientos, potencias, refrigeración, etc. lo visto en los turbocompresores centrífugos, es aplicable a los turbocompresores axiales. FORMAS BÁSICAS DEL PERFIL MERIDIONAL El diseño de la carcasa y del tambor, para que siempre se logre una disminución de la altura del álabe en el sentido del flujo, que tenga en cuenta la disminución del volumen específico con la compresión, se puede hacer de seis formas distintas, que se representan en la siguiente figura.
Fig. 2.20 Perfiles meridionales de los escalamientos
- Diámetro exterior dp constante, a).- La disminución creciente de la altura del álabe se consigue aquí con el aumento del diámetro db en la base, en el sentido de la compresión. Con este tipo de diseño se alcanzan grandes valores del trabajo
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de compresión por escalonamiento, del orden de 30 - 40 kJ/kg, reduciéndose el número de escalonamientos. Las desventajas de este diseño son: - Si el gasto es pequeño y la relación de compresión total es grande, los álabes de las últimas coronas móviles son muy cortos, lo que influye desfavorablemente en el rendimiento. - Esta construcción es tecnológicamente complicada - Diámetro db constante, b).- En este diseño el diámetro medio del álabe dm es variable. El trabajo por escalonamiento es menor que en el caso anterior, pero desaparecen las dos desventajas enunciadas. - El diámetro dm aumenta en el sentido del flujo, e).- Con este disposición se consigue disminuir el número de escalonamientos, para caudal volumétrico pequeño y grado de compresión elevado. - El diámetro dm disminuye en el sentido del flujo, f).- Con este diseño se consiguen elevados rendimientos, si los caudales volumétricos son pequeños y las relaciones de compresión elevadas. NUMERO DE ESCALONAMIENTOS
Fig. 2.21 Estimación del número de escalonamientos Z de un turbocompresor,
nescalón es número específico adimensional de revoluciones del escalón
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Turbocompresor Axial como parte de una turbina de Gas
Fig. 2.22 Esquema de una turbina de gas conectado a un Generador
Procesos en el turbocompresor de la Turbina de Gas
- Admisión de aire
El sistema de admisión de aire consta de todos los elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones más adecuadas de presión, temperatura y limpieza.
Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarán de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarán la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire.
- Compresor de aire
La función del compresor es elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) antes que entre en la cámara de combustión, en una relación que varía según la turbina pero que normalmente está comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresión se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina.
El control de la entrada de aire para la combustión se realiza variando el ángulo de inclinación de las ruedas iniciales de álabes del compresor. A mayor ángulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y por tanto, a la turbina. Este método se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la turbina de gas.
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Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeración de álabes y de la cámara de combustión, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado para este fin.
- Turbina de expansión
En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los
gases de combustión, en forma de presión y temperatura elevada (entalpía), a
potencia mecánica (en forma de rotación de un eje).
Como se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida
directamente por el compresor.
Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400ºC y una
presión de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600ºC. Esa alta temperatura hace que
la energía que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento
de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIÓN, que consiste en
utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cámara de
combustión) o bien, como es más habitual, para generar vapor en una caldera de
recuperación. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor
consiguiéndose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al 55%
(el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%).
Turbocompresor Axial como parte los turborreactores
Semejantes a las Turbinas de gas, con la diferencia de que en vez de aprovechar
el torque producido por el eje solidario a la turbina, se aprovecha el flujo másico
que sale por una tobera.
Para la fase de compresión, se usan compresores axiales o centrífugos que
comprimen grandes volúmenes de aire a una presión de entre 4 y 32 atmósferas.
Una vez comprimido el aire, se introduce en las cámaras de combustión donde
el combustible es quemado en forma continua. El aire a alta presión y alta
temperatura (o sea, con más energía que a la entrada) es llevado a la turbina,
donde se expande parcialmente para obtener la energía que permite mover el
compresor (similar al funcionamiento del turbocompresor que se encuentra en los
automóviles). Después el aire pasa por una tobera, en la que es acelerado hasta
la velocidad de salida.
En este tipo de motores la fuerza impulsora o empuje se obtiene por la cantidad de
movimiento. Al lanzar grandes volúmenes de aire hacia atrás a gran velocidad, se
produce una reacción que impulsa la aeronave hacia adelante. En el caso de los
aviones militares, el empuje proviene prácticamente en su totalidad de los gases
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de escape. En el caso de aviones comerciales (como los Boeing y Airbus), una
parte del aire es desviado por los costados de la cámara de combustión (By-pass)
generando parte del empuje de manera similar a un avión con turbohélice.
Actualmente, estos motores alcanzan empujes de hasta 50 toneladas.
Fig. 2.23 Vista en corte de un General Electric J85, un turborreactor de flujo axial
diseñado en los años 1950 utilizado por el Northrop F-5 y otros aviones militares,
a) esquema, b) real.
(a)
(b)
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Fig. 2.24 Vista en corte de un de Havilland Goblin, un turborreactor de flujo
centrífugo
Utilizados en los primeros aviones de reacción británicos, a) real b) esquema
(a)
(b)
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3. SISTEMAS NEUMÁTICOS
INTRODUCCIÓN:
La tecnología de la neumática ha ganado una importancia tremenda en el campo
de la racionalización y automatización del lugar de trabajo, desde las antiguas
obras de madera y las minas de carbón, hasta los modernos talleres de máquinas
y robots espaciales. Ciertas características del aire comprimido han hecho este
medio bastante adecuado para usarlo en las modernas plantas de fabricación y
producción. Por lo tanto, es importante que nosotros tengamos un buen
conocimiento del sistema neumático, las herramientas accionadas por aire
comprimido y entendiendo su comportamiento.
POR QUE UTILIZAR LA NEUMÁTICA?
Porque con la introducción de la neumática en el proceso de fabricación, la
industria se beneficia con un medio más barato de automatización, el cual, si se
utiliza eficazmente, puede llevar el costo de producción hacia un nivel mucho más
bajo. Hace unas cuantas décadas, la aplicación máxima de la neumática se
encontraba probablemente en el campo de la construcción, en donde la fuente
principal de potencia para las herramientas como los martillos mecánicos, los
taladros, los aprietatuercas, las remachadoras, etc., sólo era el aire comprimido.
En la actualidad, la lista no tiene fin. Ahora se usa aire comprimido en todo el
ámbito de la vida industrial, empezando con grúas neumáticas hasta la aplicación
de ese aire en el sistema de frenado de los automóviles, los vagones de ferrocarril,
las vagonetas, las impresoras y qué otra cosa no. De hecho, en estos días se
encuentra que se aplica de manera extensa en todos los campos. Pero, ¿por qué?
La respuesta encuentra su fundamento en algunas de las características básicas
que hacen de la aplicación de la neumática más ventajosa y que sea
excepcionalmente adecuada en su manejo. Las características siguientes son
notables:
1. Amplia disponibilidad del aire.
2. Compresibilidad del aire.
3. Facilidad para transportar el aire en recipientes a presión, contenedores y tubos
Largos.
4. Características del medio de ser a prueba de incendio.
5. Construcción sencilla de los elementos neumáticos y facilidad en su manejo.
6. Alto grado de facilidad de control de la presión, velocidad y fuerza.
7. Posibilidad de un fácil, pero razonablemente confiable, control a distancia.
8. Mantenimiento más fácil.
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9. Características del medio de ser a prueba de explosión.
10. Costo comparativamente más bajo en
relación con otros sistemas.
En comparación con el sistema hidráulico, el
sistema neumático tiene mejores ventajas de
operación, pero hasta ahora no puede
reemplazar a aquél, por lo que se refiere al
requisito de potencia y de exactitud de las
operaciones. En zonas de riesgos, es
probable que el aire sea un mejor medio de
proporcionar energía que el sistema eléctrico, el hidráulico y el de vapor.
FUNDAMENTOS FÍSICOS:
PRESIÓN:
La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la
cual actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Cuando
sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera
uniforme, la presión P viene dada de la siguiente forma:
Presión Absoluta
Es la presión de un fluido medido con referencia al vacío perfecto o cero absoluto.
La presión absoluta es cero únicamente cuando no existe choque entre las
moléculas lo que indica que la proporción de moléculas en estado gaseoso o
la velocidad molecular es muy pequeña. Ester termino se creó debido a que la
presión atmosférica varia con la altitud y muchas veces los diseños se hacen en
otros países a diferentes altitudes sobre el nivel del mar por lo que un término
absoluto unifica criterios.
Presión Atmosférica
El hecho de estar rodeados por una masa gaseosa (aire), y al tener este aire un
peso actuando sobre la tierra, quiere decir que estamos sometidos a una presión
(atmosférica), la presión ejercida por la atmósfera de la tierra, tal como se mide
normalmente por medio del barómetro (presión barométrica). Al nivel del mar o a
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las alturas próximas a este, el valor de la presión es cercano a 14.7 lb/plg2
(101,35Kpa), disminuyendo estos valores con la altitud.
Presión Manométrica
Son normalmente las presiones superiores a la atmosférica, que se mide por
medio de un elemento que se define la diferencia entre la presión que es
desconocida y la presión atmosférica que existe, si el valor absoluto de la presión
es constante y la presión atmosférica aumenta, la presión manométrica disminuye;
esta diferencia generalmente es pequeña mientras que en las mediciones de
presiones superiores, dicha diferencia es insignificante, es evidente que el valor
absoluto de la presión puede abstenerse adicionando el valor real de la presión
atmosférica a la lectura del manómetro.
La presión puede obtenerse adicionando el valor real de la presión atmosférica a
la lectura del manómetro.
Presión Absoluta = Presión Manométrica + Presión Atmosférica.
Propiedades de los Gases:
Ley de Boyle Mariotte.- Dicta que a una temperatura constante, el volumen
ocupado por una masa gaseosa invariable es inversamente proporcional a su
presión
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Ilustración y fórmula de la ley de Boyle
Ley de Gay Lussac.- Dice que a presión constante, el volumen ocupado por una
masa
dada de gas, es directamente proporcional a su temperatura absoluta, esto es:
- Ley de Charles.- A volumen constante, la presión absoluta de una masa de gas
determinada es directamente proporcional a la temperatura. Esto significa que
entre más se comprime un gas, más aumenta su temperatura. Puede ser
representado como:
Las relaciones anteriores se combinan para proporcionar la “ecuación general de
los gases perfectos”.
NECESIDADES BASICAS PARA EL SISTEMA NEUMATICO
SISTEMA BASICO:
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En las industrias modernas, el sistema neumático se usa como medio de
mecanización y automatización del lugar de trabajo, en donde una parte
importante del trabajo manual y tedioso puede ser reforzado mediante controles
neumáticos para lograr una producción rápida y económica.
Dispositivo neumático de doblado
A continuación se listaran una serie de necesidades básicas para la introducción
de sistemas neumáticos en una planta:
1. Planta de compresores. La planta de producción en la que se usen
herramientas neumáticas, etc., debe equiparse con la planta de aire
comprimido de capacidad apropiada para satisfacer la necesidad de este
aire de los sistemas.
2. Tubería. Debe tirarse un sistema de tubería bien tendido para el aire
comprimido, desde la planta de compresores hasta el punto de consumo de
la energía neumática en las diversas secciones de la planta en donde se
van a introducir dispositivos y sistemas neumáticos.
3. Válvulas de control Se usan diversos tipos de válvulas de control para
regular, controlar y monitorear la energía neumática, con el fin de controlar
la dirección, la presión, el flujo, etcétera.
4. Actuador neumático. Se utilizan diversos tipos de cilindros y motores
neumáticos para realizar el trabajo útil para el cual se diseña el sistema
neumático, como usar cilindros para el movimiento lineal de plantillas,
artefactos, alimentación de materias primas, etcétera.
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5. Aparatos auxiliares. Es posible que deban usarse diversos tipos de
equipo auxiliar en el sistema neumático, con el fin de lograr un mejor
rendimiento, facilitar el control y obtener una mayor confiabilidad.
COMPONENTES DE UN SISTEMA NEUMÁTICO
Un sistema neumático básico se compone de dos secciones principales:
- Sistema de producción y distribución de aire.
- Sistema de consumo de aire o utilización.
Sistema neumático básico
El sistema de producción y distribución de aire está compuesto básicamente por la
compresora de aire, la cual a su vez está compuesta por seis componentes:
Compresor de aire:
Aunque no se encuentra directamente conectado al sistema neumático, el
compresor de aire desempeña un papel vital en el rendimiento global del sistema.
En la industria se usan diversos tipos de compresores de aire; pero los de
desplazamiento positivo son los más populares. Los compresores de
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desplazamiento positivo se clasifican como del tipo rotatorio, por ejemplo,
compresores del tipo de espirales, de lóbulos, de paletas y reciprocantes (como el
compresor de aire de pistón). En ciertas aplicaciones, es esencial que el aire
comprimido no contenga aceite; esto se logra por medio del compresor de aire
reciprocante del tipo de diafragma. El tanque de compresión es un equipo
importante en la familia del compresor. Con el fin de contar con una alimentación
ininterrumpida de aire comprimido, se debe seleccionar un tanque del tamaño
óptimo. También debe darse importancia a la condensación de la humedad, al
seleccionar e instalar una planta de compresores.
El sistema de producción y distribución de aire está compuesto básicamente por la
compresora de aire, la cual a su vez está compuesta por seis componentes:
Unidad compresora.- Es un elemento que aspira el aire a presión atmosférica y lo
comprime mecánicamente. Existen muchos tipos de unidades compresoras,
divididos principalmente en dos categorías:
*Alternantes:
• De émbolo
•De diafragma
*Rotatorios:
• De paleta
• De tornillo
La unidad compresora más sencilla es el compresor de émbolo de una etapa
(figura siguiente).
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Compresor de émbolo de una etapa.
Este compresor aspira el aire a presión atmosférica y lo comprime a la presión
deseada en una sola compresión.
Cuando el émbolo se mueve hacia abajo crea una presión más baja que la de la
atmósfera forzando la entrada de aire en el cilindro a través de la válvula de
admisión. Cuando el émbolo se mueve hacia arriba, la válvula de admisión se
cierra y el aire se comprime forzando a que la válvula de escape se abra para
descargar el aire comprimido dentro el depósito.
CRITERIOS DE SELECCION PARA LOS COMPRESORES
En los criterios de selección de un compresor de aire adecuado intervienen varios
factores. A continuación se tratan con brevedad.
Presión: Primero que todo, debe determinarse la presión necesaria. La mayor
parte de los sistemas y herramientas accionados por aire comprimido están
diseñados para operar a una presión de 6 a 7 kg/cm2. Un compresor de
fabricación y tipo normales por lo general resultaría adecuado si puede garantizar
una presión de 6 kg/
cm2 en las líneas de distribución tendidas para las herramientas y sistemas
neumáticos.
En donde se requieren líneas largas de distribución, es posible que sea
conveniente una máquina que descargue una presión de 8 a 9 kg/cm2, para
compensar las pérdidas en la línea o por fugas. En donde dos o más operaciones
requieren aire a una presión más elevada, por lo general puede ser más
económico y más conveniente instalar un compresor pequeño separado para
suministrar aire comprimido para estas operaciones. A veces incluso para una
operación, son esenciales los compresores separados. En donde se requiera una
pequeña cantidad de aire a presiones inferiores
a la llevada en las líneas principales de distribución, se puede obtener mediante la
instalación de una válvula reductora en el ramal que conduce a la zona en la que
se requiere el aire a baja presión. Si se necesita una gran cantidad de aire a baja
presión, resulta más económico instalar un compresor separado con esa finalidad.
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En donde la presión requerida del aire sea menor que 2 kg/cm2 y el volumen que
se necesita sea más o menos grande, pueden considerarse un turbosoplador o un
compresor rotatorio de baja presión.
Capacidad: Otro factor importante en la selección del compresor es la capacidad
o volumen requerido de aire. A veces este factor es en extremo difícil de evaluar.
Es obvio que la unidad seleccionada debe ser suficientemente grande como para
alimentar todos los dispositivos neumáticos que se encontrarán en operación en
cualquier momento. Si todas las operaciones neumáticas son continuas, la
capacidad requerida sencillamente es la suma del consumo de aire de cada
herramienta por separado.
Sin embargo, en la mayor parte de las plantas, las herramientas accionadas por
aire comprimido, como las rebabadoras, rectificadoras, malacates, etc., se operan
en forma intermitente. En este caso, la capacidad del compresor es la requerida
para accionar tantos dispositivos neumáticos como los que estarían en uso a la
vez en un momento determinado. En cualquier parte, esto puede ser desde el 10
hasta el 100% del total requerido por todas las herramientas, dependiendo casi
por completo de la naturaleza del trabajo en la planta. La experiencia de otra
planta en la que se realice un trabajo similar es muy útil. Los fabricantes de
compresores y herramientas neumáticas con frecuencia ayudan en Ja
determinación de la capacidad requerida de aire comprimido.
▪ Motor eléctrico: Transforma la energía eléctrica en energía mecánica para
mover la unidad de compresión.
▪ Depósito: Es un tanque especial que almacena el aire comprimido y soporta
altas presiones. Entre mayor sea su volumen, mayores deberán ser los intervalos
de funcionamiento de la unidad de compresión. El aire es entregado desde el
depósito hacia el sistema neumático a una presión más elevada transformando así
la energía mecánica de la unidad de compresión en energía neumática.
▪ Válvula anti-retorno: Deja pasar el aire comprimido de la unidad de compresión
al depósito pero impide su retorno.
▪ Manómetro.- Indicador visual de la presión del aire dentro del depósito.
El sistema de utilización del aire está compuesto por:
▪ Unidad de acondicionamiento de aire.- Consta de un separador de agua y un
filtro de impurezas. El filtro sirve para mantener la línea libre de impurezas como
polvo u óxido. El separador de agua hace girar rápidamente el aire para que las
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partículas de agua que se hayan condensado en las tuberías se depositen en el
fondo del vaso.
▪ Regulador.- Se trata de una válvula general manual que permite regular
fácilmente la presión de salida del depósito hacia el sistema neumático. Muchas
veces cuenta con un manómetro propio que indica la presión de flujo.
▪ Válvulas de control direccional.- Existen muchos tipos de válvulas neumáticas
en el mercado, pero todas tienen como función controlar el paso de aire entre sus
vías abriendo, cerrando o cambiando sus conexiones internas dependiendo del
tipo de actuador que se desee controlar. Pueden ser activadas de diversas formas:
manualmente, por circuitos eléctricos, neumáticos, hidráulicos o mecánicos.
Electroválvula servoactivada biestable
Este tipo de válvulas son clasificadas por:
-Número de vías: Orificios de los que dispone la válvula para distribuir el paso de
fluido (2, 3, 4 o 5 vias).
-Número de posiciones: Estados posibles que puede adoptar internamente (2 o
3 posiciones).
-Su forma de accionamiento:
Monoestable.- Tiene una única posición estable. Significa que puede tomar
varias posiciones pero al ser desactivada siempre regresa a la misma
posición estable mediante un resorte.
Biestable.- Tiene dos posiciones estables, cada vez que se activa conmuta
entre estos dos estados sin regresar al anterior.
Actuadores.- Son los encargados de transformar la energía neumática en
energía mecánica. Los dos grupos más comunes son:
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o Actuadores lineales.- Son los actuadores más comúnmente
utilizados, transforman la energía neumática en energía mecánica
con movimiento rectilíneo alternativo.
Cilindro de efecto simple (figura siguiente).- Desarrolla un trabajo sólo en un
sentido. El émbolo retorna a su posición inicial por medio de un resorte interno (4).
Puede ser del tipo “vástago retraído” o “vástago extendido”.
Actuador lineal de efecto simple
Cilindros de doble efecto (figura siguiente).- El trabajo se desarrolla en las dos
carreras del vástago tanto en la salida como el retroceso, dado que el aire se
aplica alternativamente a los lados opuestos (3) y (6) del émbolo.
Actuador lineal de doble efecto.
- Actuadores de giro.- No son utilizados tan comúnmente como los
actuadores lineales. El más sencillo tiene un piñón en el eje de salida que
engrana con una cremallera la cual está unida a un émbolo doble (figura
siguiente). Al inyectar aire el émbolo se mueve para un lado o para el otro
haciendo girar el eje en su lugar.
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Actuador de giro mediante piñón-cremallera.
▪ Controladores de velocidad.- También llamadas válvulas de caudal, regulan la
cantidad de aire que las atraviesa por unidad de tiempo. Estos elementos dentro
del circuito neumático
influyen sobre la velocidad final de los actuadores o provocan retardos en los
circuitos de mando como un temporizador. Se catalogan en tres grupos:
- Válvulas de estrangulación (figura siguiente).- Produce un estrechamiento
en la
conducción, de forma que origina una disminución del caudal que la atraviesa.
Válvula de estrangulación.
- Válvulas reguladoras de caudal unidireccional (figura siguiente).- Su
función es la misma que la de las válvulas de estrangulación con la única
diferencia que el flujo de aire solo puede ir en una dirección y no puede
regresar gracias a un elemento antiretorno.
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Válvula reguladora de caudal unidireccional
- Válvulas de escape rápido (figura siguiente).- Es una válvula
bidireccional, pero al aumentar la presión hacia una dirección el aire escapa
rápidamente.
CIRCUITOS NEUMÁTICOS BÁSICOS PARA CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
SÍMBOLOS
Símbolos de cilindros de simple efecto:
Cilindro de simple efecto recorrido de salida
Cilindro de simple efecto recorrido de entrada
Cilindro de simple efecto recorrido de salida, magnético
Cilindro de simple efecto recorrido de entrada, magnético
Símbolos Cilindros de doble efecto:
Cilindro de doble efecto
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Cilindro de doble efecto, velocidad ajustable
Cilindro de doble efecto, doble recorrido, velocidad ajustable
Cilindro de doble efecto, velocidad ajustable, magnético
Símbolos actuadores rotacionales:
Actuador de semirotación
Motor rotacional de un solo sentido de rotación
Motor rotacional de dos sentidos de rotación
Símbolos de válvulas
Válvula de 2/2 accionada por pulsador y retorno por muelle
Válvula de 3/2 accionada por pulsador y retorno por muelle
Válvula de 3/2 accionada por palanca con enclavamiento mecánico
Válvula de 3/2 biestable accionada y retorno por presión
Válvula de 5/2 accionada por pulsador y retorno por
muelle
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Válvula de 5/2 accionada y retorno por presión.
Posición central por muelle
Las válvulas se designan por dos números, por
ejemplo 3/2. Estos indican que la válvula tiene 3
vías y 2 estados.
El símbolo de la válvula indica los dos estados.
Este es un ejemplo de una válvula 5/2
Tiene 5 vías y 2 posiciones
Cuando la vávula es pulsada la vía 1 es conectada a la vía 4 (también la vía 2 se
conecta a la vía 3)
Cuando retorna a su estado normal gracias al muelle la vía 1 se conecta a la vía 2
(también la vía 4 se conecta a la vía 5)
Símbolos de accionadores manuales
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Circuito de ejemplo:
APLICACIONES
APLICACIONES NEUMÁTICAS
Un número creciente de empresas industriales están aplicando la automatización
de su maquinaria mediante equipos neumáticos, lo que, en muchos casos, implica
una inversión de capital relativamente baja.
Los elementos neumáticos pueden aplicarse de manera racional para la
manipulación de piezas, incluso puede decirse que este es el campo de mayor
aplicación.
Tomando como base la función de movimiento, hay que resaltar la extensa gama
de elementos sencillos para la obtención de movimientos lineales y rotativos.
Aplicaciones de la neumática en distintos procesos industriales.
Para dar una idea general de las posibilidades de aplicación de la neumática se
puede hablar de varios procesos industriales. La cantidad de aplicaciones se ve
aumentada constantemente debido a la investigación y desarrollo de nuevas
tecnologías. La constante evolución de la electrónica e informática favorece la
ampliación de las posibilidades de aplicación de la neumática.
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Un criterio muy importante es la existencia de compresor, si este existe la elección
del sistema neumático tiene muchas más posibilidades. Esto es especialmente
importante para procesos de especialización no técnicos tales como la agricultura,
jardinería, etc.
A continuación una lista de algunos sectores industriales donde se aplica la
neumática:
- Agricultura y explotación forestal
- Producción de energía
- Química y petrolífera
- Plástico
- Metalúrgica
- Madera
- Aviación
Aplicaciones en manipulación
Al hablar de manipulación, se hace referencia a las diferentes acciones a que está
sometido un elemento para que adopte unas determinadas posiciones dentro de
un proceso de producción. La palabra manipulación proviene de “accionar con la
mano”, pero en los procesos de producción se sigue utilizando aunque la acción
se produzca mecánicamente.
La mano humana es un elemento muy complejo que puede realizar funciones
diversas. Un elemento mecánico de trabajo solo puede realizar algunas funciones
que realiza la mano, esto da como consecuencia de que, para obtener un proceso
de trabajo automático, son necesarios varios elementos mecánicos de
manipulación.
En un dispositivo cualquiera deben montarse tantos elementos de trabajo como
operaciones individuales deba realizar dicho dispositivo. Esta es una de las
razones por la cual se utilizan mucho los sistemas neumáticos para la
manipulación.
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Un cilindro neumático, y con él el elemento de trabajo, pueden montarse
directamente donde se precise la fuerza y el movimiento. El cilindro neumático se
transforma así en un musculo de la mano mecánica.
Con tres cilindros de dimensiones adecuadas puede llegarse, teóricamente, hasta
cualquier punto del espacio. Si añadimos un accionamiento giratorio,
funcionalmente el conjunto se acerca más al ideal de la mano humana.
Gracias a su sistema modular los manipuladores aportan una solución muy flexible
para la solución de problemas. Ya que permiten:
- Elegir los módulos únicamente necesarios a las carreras y los grados de libertad
requeridos.
- Una fácil adaptación de la capacidad de la unidad a las necesidades reales.
Estos manipuladores pueden ser asociados a controles electrónicos y a autómatas
programables.
Procedimientos de fabricación
La clásica máquina-herramienta y de conformación está diseñada para una amplia
variedad de posibilidades dentro de las funciones de producción. Su potencia,
capacidad, dimensionado y realización técnica no se ajustan a una determinada
pieza. La construcción de una pieza sencilla mediante una maquina universal
puede producir un costo muy elevado ya que solo se utilizan algunas partes de la
misma. Por esta razón, la producción en serie tiende al estudio de máquinas
especiales, según cada caso, para obtener resultados óptimos y económicos. Esto
conduce a la construcción de máquinas especiales adaptadas a una pieza
determinada respecto a su forma, tamaño, material y proceso de trabajo,
permitiendo una producción racional.
La neumática simplifica en muchos casos el esfuerzo técnico que implica la
realización de máquinas especiales y sistemas auxiliares. Los costes de inversión,
relativamente reducidos, son los motivos principales para construir una maquina
especial, un dispositivo auxiliar, etc. La mecanización y manipulación de las
piezas, así como la automatización en relación con las funciones de un mando
común, producen un gran número de estaciones de trabajo completa o
parcialmente automáticas, pudiéndose llegar a sistemas de producción
completamente neumáticos. También se pueden utilizar otros tipos de energía, ya
que las señales de mando pueden ser tratadas por convertidores.
El accionamiento neumático es aplicable a todas las partes de la producción que
se caracterizan por sus movimientos lineales. Estos movimientos lineales, sobre
todo movimientos de alimentación, avances de piezas o d herramientas, los
pue3de realizar un cilindro neumático, solo o en unión de un circuito cerrado
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hidráulico, o una unidad de avance hidroneumática, mediante una aplicación
sencilla.
La fuerza necesaria, la velocidad de avance y la exactitud de un movimiento son
decisivos para elegir entre la aplicación de un cilindro neumático o de una unidad
de avance hidroneumática bajo una forma de ejecución determinada.
En la aplicación de sistemas neumáticos para el trabajo de madera, del plástico y
en la técnica de conformación en general, se utiliza predominantemente el cilindro
neumático como el elemento de accionamiento.
Las unidades de trabajo con elementos de accionamiento neumáticos pueden
integrarse fácilmente en un proceso de trabajo mediante mando neumático.
También los accionamientos rotativos eléctricos pueden incluirse en un proceso
automático con mando neumático. Esto ha conducido a la utilización de máquinas
de producción automáticas, pudiendo realizarse varias funciones de montaje y
diferentes funciones de mecanizado.
También se pueden construir elementos de trabajo neumáticos especiales para un
uso específico, incluyéndolos en máquinas automáticas. Quitando a añadiendo
diferentes unidades de mecanizado o mediante una modificación en la sucesión
de las operaciones de trabajo, se obtiene cierta flexibilidad en el sistema de
producción.
Estas posibilidades son válidas sobre todo para el diseño de nuevos sistemas de
producción. Sin embargo, los mismos principios pueden aplicarse al automatizar
unidades de trabajo y maquinas ya existentes. El grado de automatización
dependerá en muchos casos del presupuesto previsto para la adquisición de
material para automatización.
4. TUBERÍAS
El hombre ha ido adquiriendo y mejorando el legado de sus antecesores,
perfeccionando sus técnicas, y acrecentando así cada vez más su demanda por
conseguir una mejor calidad de vida. Fue así, como surgieron los tubos, quienes,
organizados en sistemas, perduran en el tiempo como el medio de transporte de
fluidos.
La elección de una tubería es una actividad muy compleja que depende de los
materiales de construcción, espesor de la pared del tubo y otras dimensiones del
mismo, cargas, condiciones ambientales y tipo de instalación. La elección e
instalación de tuberías y accesorios correctos para el sistema definirán un
adecuado funcionamiento, evitarán al máximo las pérdidas de fluidos y energía.
El diseño de una tubería se basa en ciertas normas de diseños estandarizadas,
las tuberías de cobre se emplean generalmente para el paso de agua, calefacción
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y refrigerantes. Las tuberías de acero y hierro forjado se utilizan para los
conductos de gas y, frecuentemente, la calefacción por agua caliente. Las tuberías
de plástico se emplean para desagües, sumideros de condensado, entradas de
agua, bombas de calor para entrada de agua y para la ventilación de calderas a
gas de alta eficiencia.
I. TUBOS Y TUBERIAS.-
Entre las características generales se encuentran el tipo, tamaño, aleación,
resistencia, espesor y dimensión.
Diámetros: Es la medida de un accesorio o diámetro nominal mediante el cual se
identifica al mismo y depende de las especificaciones técnicas exigidas.
Resistencia: Es la capacidad de tensión en libras o en kilogramos que puede
aportar un determinado accesorio en plena operatividad.
Aleación: Es el material o conjunto de materiales del cual esta echo un accesorio
de tubería.
Espesor: Es el grosor que posee la pared del accesorio de acuerdo a las normas y
especificaciones establecidas.
Diferencias entre tubos y tuberías:
Tubo: Pieza hueca, generalmente cilíndrica y abierta por ambos extremos, que se
utiliza en distintas aplicaciones.
Tubería: Las tuberías son tubos fabricados de acuerdo a los tamaños
normalizados.
Una notación importante de señalar es que los diámetros exteriores de cualquier
tamaño nominal es el mismo para cualquier peso o espesor de pared para
tuberías de iguales dimensiones, o sea, el diámetro nominal interior varía con su
espesor.
TUBOS TUBERÍAS
Pared delgada Pared gruesa
En rollos de muchos metros de
longitud
Diámetro relativamente grande,
longitud entre 6 y 12 metros
No se pueden enroscar Pueden enroscarse
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Paredes lisas Pared rugosa
Fabricados por extrusión o moldeo Fabricados por soldadura, moldeo o
taladro
II. MATERIAL DE UNA TUBERIA.-
Entre los materiales plásticos más usados, encontramos poliamida o nailon (PA),
el poliuretano (PU) y el PVC. Entre los metálicos, se usan el cobre reconocido y el
semiduro (half-hard), el acero galvanizado y el inoxidable). También se usan
mangueras flexibles fabricadas de goma o de plástico reforzado, ya que son muy
adecuadas para herramientas de mano por la libertad de movimientos que
confieren.
En las industrias son muy frecuentes los rollos de tubo de plástico PA o PU o
muelles de Pneuflex. Estos conductos flexibles, extensibles y retractables se
encuentran en una gran variedad de diámetros y longitudes. Tienen el
inconveniente de multiplicar la longitud del tubo necesaria para un uso concreto,
con lo que aumentan las pérdidas de presión y el consumo energético.
-Tubos Metálicos ferrosos son de: Hierro dulce, Acero inoxidable, Duriron.
-Tubos metálicos no ferrosos son de: Aluminio, Aleaciones de cobre-latón y
bronce, Estaño, Magnesio.
-Tubos No Metálicos son de: Tubería de PE o Polietileno (el más utilizado de los
termoplásticos) Tubería de PVC o Cloruro De Polivinilo no Plastificado, Tuberías
de ABS o Acrilonitrilo Butadieno Estireno, Tuberías de CAB…
-Tubos para servicios especiales: Vidrio
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III. DISEÑO DE TUBERÍAS.-
El diseño de un sistema de tuberías consiste en el diseño de sus tuberías, brida y
su tortillería, empacaduras, válvulas, accesorios, filtros, trampas de vapor juntas
de expansión. También incluye el diseño de los elementos de soporte, tales como
zapatas, resortes y colgantes, pero no incluye el de estructuras para fijar los
soportes, tales como fundaciones, armaduras o pórticos de acero.
- Los módulos máximos de la presión y la temperatura son los factores
primordiales que debemos tener en cuenta para la selección del material y
además de las condiciones de aire comprimido. No obstante, deben
considerarse también otras condiciones como la rapidez de instalación, las
facilidades de uso, su vida útil y el coste global.
- Se preferirán tuberías de plástico para la conexión de elementos neumáticos
por su flexibilidad. Este material permite su corte a medida y la conexión
rápida mediante enchufes y conductos metálicos.
- El cobre se usará donde se requieran propiedades especiales de resistencia a
la corrosión y al calor. El sistema hecho de cobre es rígido, pero fácil de
instalar. Son relativamente caros para diámetros superiores de 30 mm.
- Se usa acero cuando son necesarios grandes diámetros
1. NORMAS DE DISEÑO: Las normas más utilizadas en
el análisis de sistemas de tuberías son las normas conjuntas del American
Estándar Institute y la American Society of Mechanical Engineers ANSI/ASME
B31.1, B31.3, etc. Algunas a saber:
• B31.1. (1989) Power Piping
• B31.3 (1990) Chemical Plant and Petroleum Refinery Piping
•-B31.4 (1989) Liquid Transportation System for Hydrocarbons, Petroleum Gas,
A ndhydroys Anmonia and Alcohols
• B31.5 (1987) Refrigeration Piping
• B31.8 (1989) Gas Transmisión and Distribution Piping System
• B31.9 (1988) Building Services Piping
• B31.11 (1986) Slurry Transportation Piping System
2. CARGAS DE DISEÑO PARA TUBERÍAS: Un sistema de tuberías constituye
una estructura especial irregular y ciertos esfuerzos pueden ser introducidos
inicialmente durante la fase de construcción y montaje. También ocurren
esfuerzos debido a circunstancias operacionales. A continuación se resumen
las posibles cargas típicas que deben considerarse en el diseño de tuberías.
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Cargas por la presión de diseño: Es la carga debido a la presión en la condición
más severa, interna o externa a la temperatura coincidente con esa condición
durante la operación normal.
A. CARGAS POR PESO:
→ Peso muerto incluyendo tubería, accesorios, aislamiento, etc.
→ Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso
→ Efectos locales debido a las reacciones en los soportes
B. CARGAS DINÁMICAS:
→ Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberías expuesto
al viento
→ Cargas sísmicas que deberán ser consideradas para aquellos sistemas
ubicados en áreas con probabilidad de movimientos sísmicos
→ Cargas por impacto u ondas de presión, tales como los efectos del golpe de
ariete, caídas bruscas de presión o descarga de fluidos
→ Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presión, por variaciones
en las características del fluido, por resonancia causada por excitaciones de
maquinarias o del viento.
C. EFECTOS DE LA EXPANSIÓN Y/O CONTRACCIÓN TÉRMICA:
→ Cargas térmicas y de fricción inducidas por la restricción al movimiento de
expansión térmica de la tubería
→ Cargas inducidas por un gradiente térmico severo o diferencia en las
características de expansión (diferentes materiales)
3. PRESIÓN DE DISEÑO: La presión de diseño no será menor que la presión a
las condiciones más severas de presión y temperatura coincidentes, externa o
internamente, que se espere en operación normal.
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La condición más severa de presión y temperatura coincidente, es aquella
condición que resulte en el mayor espesor requerido y en la clasificación
("rating") más alta de los componentes del sistema de tuberías. La presión
máxima de servicio de la mayoría de los sistemas neumáticos está
comprendida entre los 10 y 16 bar.
Se debe excluir la pérdida involuntaria de presión, externa o interna, que cause
máxima diferencia de presión.
4. TEMPERATURA DE DISEÑO: La temperatura de diseño es la temperatura del
metal que representa la condición más severa de presión y temperatura
coincidentes. Los requisitos para determinar la temperatura del metal de diseño
para tuberías son como sigue:
→ Para componentes de tubería con aislamiento externo, la temperatura del
metal para diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido
contenido.
→ Para componentes de tubería sin aislamiento externo y sin revestimiento
interno, con fluidos a temperaturas de 32 ºF (0 ºC) y mayores, la temperatura
del metal para diseño será la máxima temperatura de diseño del fluido
reducida.
5. ASPECTOS A TENER EN CUENTA:
A. SOLDADURA: Los requisitos del código respecto a la fabricación son más
detallados para la soldadura que para otros métodos de unión, ya que la
soldadura no sólo se utiliza para unir dos tuberías extremo a extremo, sino que
sirve también para fabricar accesorios que reemplazan a los accesorios sin
costura, como codos y juntas de solapa de punta redonda. Los requisitos del
código para el proceso de soldado son esencialmente los mismos que se
establecieron en la subsección sobre recipientes a presión (por ejemplo los
requisitos de la sección IX del ASME Boiler and Pressure Vessel Code) excepto
que los procesos de soldado no se restringen, el agrupamiento del material
(número P) debe estar de acuerdo con el apéndice A y las posiciones de la
soldadura corresponder a la posición de la tubería. El código permite también
que un fabricante acepte operadores de soldadura calificados por otra empresa,
sin que exista un procesamiento de recalificación cuando el proceso de soldado
sea el mismo o uno equivalente. En la tabla siguiente se incluyen
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procedimientos de calificación que pueden incluir un requisito para pruebas de
resistencia a baja temperatura.
B. PRESIONES: Presión de prueba en fábrica o presión de fábrica (PF): es
aquella presión sobre la que se timbran y clasifican los tubos comerciales, que
habrán de superar en fábrica sin romperse ni acusar falta de estanqueidad.
→ Presión nominal (PN): Aquélla por la que se conoce comercialmente y que
sirve para tipificar, clasificar y timbrar los tubos. Es un número convencional
que coincide con la presión de trabajo a 20º C en tuberías de plástico (PVC y
PE).
→ Presión de rotura (PR): Aquélla a la cual se rompe la tubería.
→ Presión de trabajo (PT): Máxima presión a la que se recomienda que trabaje
el tubo, ya que es la máxima presión interna a la que puede estar sometido
un tubo en servicio a la temperatura de utilización. Constituida por la presión
de servicio más las sobrepresiones accidentales que pudieran producirse,
como por ejemplo las debidas al golpe de ariete.
→ Presión de servicio (PS): Presión a la que efectivamente se hace trabajar la
tubería. Siempre debe ser menor o igual que la presión de trabajo.
Consideramos una sección de tubería, que estará sometida a la presión
hidráulica reinante en su interior, como representa la figura.
Deberá existir equilibrio entre las fuerzas de tracción y el empuje estático total
que actúa sobre la mitad del tubo en dirección normal al plano diametral.
Igualando ambos esfuerzos:
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Según la presión que pueden soportar (PR), los tubos se clasifican en:
- De Baja presión: < 3 atm
- De media presión: 3 – 10 atm
- De alta presión: > 10 atm
C. CORROSIÓN: En lo particular, la corrosión es probablemente el problema
más grande para el mantenimiento de las redes de tubería. , es causada
generalmente por el oxígeno atmosférico disuelto en el agua y el proceso
corrosivo se detiene solamente cuando el oxígeno es eliminado del agua, o si
se consume por el proceso oxidante al ser atacado el metal. Entre los
materiales anticorrosivos más viejos, quedan comprendidos los tubos de
asbesto-cemento, acero inoxidable, hierro vaciado y la tubería revestida.
En los circuitos de vapor y agua en las plantas de fuerza, penetra aire disuelto
(oxígeno) con el agua tratada y a través de fugas, hasta las secciones que
trabajan bajo vacío en el sistema. Una de las soluciones aceptadas
generalmente para retardar la corrosión, es reducir al mínimo todas estas fugas,
manteniendo en buen estado todas las uniones, juntas y empaquetaduras; y
enseguida, desairear el agua de alimentación en un calentador de diseño
correcto. Uno de los componentes químicos utilizado es el sulfito de sodio para
eliminar los últimos residuos de oxígeno. La corrosión de las líneas del
condensado en los sistemas de calefacción es producida frecuentemente por
las infiltraciones de aire hacia adentro de la tubería (por los respiraderos,
válvulas de seguridad y por las juntas), en aquellas partes en
donde el sistema trabaja al vacío.
Así como existen corrosiones internas, también se deben
tener en cuenta la corrosión externa. Puede ser rápida en
sitios en donde la tubería "suda" con frecuencia, es decir, en
donde se forma rocío u otra clase de humedad y
particularmente si la superficie mojada queda expuesta en
forma repetida al contacto con gases sulfurosos o que
contengan ácidos. Como medida de prevención, debe
evitarse, en primer lugar, la formación de rocío, o sellar la
tubería si la humedad proviene de goteo.
La tubería envuelta en cisco o enterrada se corroe con mucha
frecuencia, especialmente si el suelo es húmedo o ácido. Una
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protección práctica consiste en un recubrimiento impermeable, por lo general de
material asfáltico o algún impermeabilizante similar aplicado directamente a la
tubería, o bien sobre una envoltura en espiral de tejido fuerte. Habitualmente se
cambia de inmediato cualquier tramo de tubo que presente picaduras o
rajaduras ocasionadas por la corrosión, o por cualesquier otras causas. En caso
de que esto no sea posible a consecuencia del trabajo, se pueden aplicar
parches de emergencia, como los que se ilustran en la figura siguiente, para
evitar un paro imprevisto. Este método se puede aplicar a tuberías de hierro
vaciado o de acero.
Reparaciones de emergencia de desperfectos en tuberías. (1) Para sellar una
rajadura en la tubería. Se aplica cemento férrico y se tapa con una lámina de
metal sujetándola fuertemente. (2) Abrazaderas para un casquillo en media-
caña, entresacado de tubo del diámetro mayor próximo, con sello de cemento o
junta de material blando. (3) Para una unión de tubería, en caso de emergencia,
se introduce la tubería en un casquillo de tubo de mayor diámetro, retacando el
hueco entre tubo y casquillo con cemento férrico.
D. DOBLADO Y FORMACIÓN: La tubería puede doblarse en cualquier radio
para el cual la superficie del arco de la curvatura esté libre de grietas y
pandeos. Está permitido el empleo de dobleces estriados o corrugados. El
doblado puede efectuarse mediante cualquier método en frío o caliente,
siempre que se cumplan las características del material que se está doblando y
el radio de la tubería doblada esté dentro.
Algunos materiales requieren un tratamiento térmico una vez que ya se han
doblado, lo que dependerá de la severidad del doblado. En el código se
explican detalladamente los requisitos que deben cumplirse para este
tratamiento. Los componentes de la tubería se pueden formar por cualquier
método de prensado en frío o caliente, rolado, forjado, formado con martillo,
estirado, fileteado o cualquier otro. El espesor después del formado no será
menor que el estipulado en el diseño. Existen reglas especiales para la
verificación del formado y presión de diseño de los traslapes ensanchados en
forma de campana. El doblado y formado en caliente se realizará dentro del
intervalo de temperaturas congruentes con las características del material, el
empleo final de la tubería y el tratamiento térmico posterior a estos procesos.
El desarrollo de los medios de fabricación para tubería doblada con radio
coincidente con los codos largos de radio comercial soldados a tope y las
solapas metálicas ensanchadas en forma de campana (Van Stone), son
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técnicas muy importantes para reducir los costos de la tubería soldada. Estas
técnicas evitan tanto el costo de los extremos de punta redonda o en forma de L
como el de la operación de soldado requerida para unir el accesorio a la
tubería.
E. COSTOS DE SISTEMAS DE TUBERÍAS: La tubería de una planta de
proceso químico puede llegar a representar hasta el 25% del costo de la
instalación. El costo de instalación de sistemas de tubería varía ampliamente,
dependiendo del material de construcción y de la complejidad del sistema. Un
estudio de costos de tubería muestra que la selección del material más barato
para una tubería recta simple no será más económica que una instalación
compleja donde existe gran cantidad de tramos cortos, accesorios y válvulas.
La economía depende también, en gran parte, del tamaño de la tubería y de la
técnica utilizada en su manufactura. Los métodos de fabricación, como el
doblado a dimensiones estándar de codos de radio largo y maquinado de juntas
de solapa, influyen mucho en el costo de fabricación de la tubería a partir de
materiales dúctiles, adecuados a esa técnica. Es posible alcanzar reducciones
en costos hasta de un 35% utilizando técnicas avanzadas en la manufactura e
instalación de tuberías.
F. RESTRICCIONES: Para restringir o limitar el movimiento de sistemas de
tuberías debido a expansión térmica. Las restricciones se clasifican en:
a. Anclajes: Para fijar completamente la tubería en ciertos puntos.
b. Topes: Para prevenir el movimiento longitudinal de la tubería
permitiéndole rotar. c. Guías: Para permitir desplazamientos en una
dirección específica.
d. Amortiguadores: Para limitar el movimiento de la tubería debido a
fuerzas diferentes al peso y a la expansión térmica.
e. Controladores de vibraciones: Para prevenir o disminuir vibraciones.
f. Amortiguadores hidráulicos o mecánicos: Para suprimir el movimiento
debido a terremotos, golpes de ariete, sin restringir la expansión térmica.
Si el sistema no posee suficiente flexibilidad y/o no es capaz de resistir las
cargas sometidas (efectos de la gravedad) o las cargas ocasionales (sismos y
vientos), se dispone de los siguientes recursos:
a. Reubicación de soportes
b. Modificación del tipo de soporte en puntos específicos
c. Utilización de soportes flexibles
d. Modificación parcial del recorrido de la línea en zonas específicas e.
Utilización de lazos de expansión
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f. Presentado en frío
El análisis de flexibilidad tiene por objeto verificar que los esfuerzos en la
tubería, los esfuerzos en componentes locales del sistema y las fuerzas y
momentos en los puntos terminales, estén dentro de límites aceptables, en
todas las fases de operación normal y anormal, durante toda la vida de la
planta.
IV. ACCESORIOS PARA TUBERÍAS.
Es el conjunto de piezas moldeadas o mecanizadas que unidas a los tubos
mediante un procedimiento determinado forman las líneas estructurales de
tuberías de una planta de proceso.
Los accesorios pueden ser:
a. Piezas especiales, unidades que posibilitan los empalmes,
cambios de dirección (codos), derivaciones, variaciones de
sección, etc.
b. Dispositivos auxiliares, aparatos que protegen y facilitan el
buen funcionamiento de la red. Los más importantes son las
válvulas y las ventosas.
c. Las juntas, son unidades que se emplean para unir tubos
entre sí y con los accesorios.
d. En general, entre los tipos de accesorios más comunes se
puede mencionar a los siguientes: Bridas, Codos, Tes,
Reducciones, Cuellos o acoples, Válvulas, Empacaduras,
Tornillos y Niples.
1. Bridas:
Son accesorios para conectar tuberías con equipos (Bombas,
intercambiadores de calor, calderas, tanques, etc.) o accesorios (codos,
válvulas, etc.) La unión se hace por medio de dos bridas, en la cual una de
ellas pertenece a la tubería y la otra al equipo o accesorio a ser conectado
(Ver fig. 1).
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La ventaja de las uniones bridadas radica en el hecho de que por estar
unidas por espárragos, permite el rápido montaje y desmontaje a objeto de
realizar reparaciones o mantenimiento.
Figura 1
Tipos de Bridas:
Brida con cuello:
Para soldar es utilizada con el fin de minimizar el número de soldaduras en
pequeñas piezas a la vez que contribuya a contrarrestar la corrosión en la
junta.
Brida deslizante:
Es la que tiene la propiedad de deslizarse hacia cualquier extremo del tubo
antes de ser soldada y se encuentra en el mercado con cara plana, cara
levantada, borde y ranura, macho y hembra y de orificio requiere soldadura
por ambos lados.
Brida roscada:
Son bridas que pueden ser instaladas sin necesidad de soldadura y se
utilizan en líneas con fluidos con temperaturas moderadas, baja presión y
poca corrosión, no es adecuada para servicios que impliquen fatigas
térmicas.
Brida loca con tubo rebordeado:
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Es la brida que viene seccionada y su borde puede girar alrededor de
cuello, lo que permite instalar los orificios para tornillos en cualquier
posición sin necesidad de nivelarlos.
Brida ciega:
Es una pieza completamente sólida sin orificio para fluido, y se une a las
tuberías mediante el uso de tornillos, se puede colocar conjuntamente con
otro tipo de brida de igual diámetro, cara y resistencia.
Brida orificio:
Son convertidas para cumplir su función como bridas de orificio,
del grupo de las denominadas estándar, específicamente del tipo cuello
soldable y deslizantes.
Brida Embutible:
Tiene la propiedad de ser embutida hasta un tope interno que ella posee,
con una tolerancia de separación de 1/8'' y solo va soldada por el lado
externo.
2. CODOS:
Son accesorios de forma curva que se utilizan para cambiar la dirección del
flujo de las líneas tantos grados como lo especifiquen los planos
o dibujos de tuberías. Los codos estándar son aquellos que vienen listos
para la pre-fabricación de piezas de tuberías y que son fundidos en una
sola pieza con características específicas y son
Codos estándar de 45°:
Medida
Nominal A Z
13 36 15
20 42 18
25 46 22
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30 67 28
40 79 32
50 87 35
60 106 43
Codos estándar de 90°:
Medida
Nominal A Z
13 48 27
20 58 34
25 66 42
30 91 52
40 110 63
50 122 70
60 149 86
Codo Hembra: Para conexión a accesorios roscados o a otras instalaciones
existentes a 90º con radio corto.
Medida
Nominal A B Z
13 50 29 28
20 55 33 32
3. EMPACADURAS
Es un accesorio utilizado para realizar sellados en juntas mecanizadas
existentes en líneas de servicio o plantas en proceso.
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Tipos de Empacaduras:
Empacadura flexitálica:
Este tipo de empacadura es de metal y de asientos espiro-metálicos.
Ambas características se seleccionan para su instalación de acuerdo con el
tipo de fluido.
Empacadura de asbesto:
Como su nombre lo indica son fabricadas de material de asbesto simple,
comprimido o grafitado. Las empaquetaduras tipo de anillo se utilizan para
bridas de cara alzada o levantada, de cara completa para bridas de cara
lisa o bocas de inspección y/o pasa hombres en torres, inspección de
tanques y en cajas de condensadores, donde las temperaturas y presiones
sean bajas.
Empacaduras de cartón:
Son las que se usan en cajas de condensadores, donde la temperatura y la
presión sean bajas. Este tipo puede usarse en huecos de inspección
cuando el tanque va a llenarse con agua.
Empacaduras de goma:
Son las que se usan en bridas machos y hembras que estén en servicio con
amoniaco o enfriamiento de cera.
Empacadura completa:
Son las que generalmente se usan en uniones con brida, particularmente
con bridas de superficie plana, y la placa de superficie en el extremo de
agua de algunos enfriadores y condensadores.
Empacadura de metal:
Son fabricadas en acero al carbono, según ASTM, A-307, A-193. en
aleaciones de acero inoxidable, A-193. También son fabricadas según las
normas AISI en aleaciones de acero inoxidable A-304, A-316.
Empacaduras grafitadas:
Son de gran resistencia al calor (altas temperaturas) se fabrican tipo anillo y
espiro metálicas de acero con asiento grafitado, son de gran utilidad en
juntas bridadas con fluido de vapor.
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4. TES:
Son accesorios que sirven para dividir una línea en dos o para crear
ramificaciones.
Normal: Para derivar una línea a 90º con el mismo diámetro y sin
interrumpir el trayecto original.
Medida
Nominal A B Z1 Z2
13 38 38 17 17
20 46 46 22 22
25 51 51 27 27
30 99 99 60 60
40 107 107 50 50
60 126 126 63 63
De diámetros iguales o te de recta.
Reductora con dos orificios de igual diámetro y uno desigual.
5. REDUCCIÓN:
Son accesorios de forma cónica, fabricadas de diversos materiales y
aleaciones. Se utilizan para disminuir el volumen del fluido a través de las
líneas de tuberías.
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Reducción Estándar concéntrica: Es un accesorio reductor que se
utiliza para disminuir el caudal del fluido aumentando su velocidad,
manteniendo su eje.
Reducción Estándar excéntrica: Es un accesorio reductor que se utiliza
para disminuir el caudal del fluido en la línea aumentando su velocidad
perdiendo su eje.
6. VÁLVULAS:
Válvula de compuerta:
Suelen tener compuertas de cuña con un ángulo incluso de 1Oº entre
los asientos. El cierre se logra al mover una cuña cónica o un par de
discos entre los asientos. Las características de estrangulación de las
válvulas de compuerta son muy deficientes y ocurrirá una severa
vibración del disco si la caída de presión a través de los asientos es muy
grande.
Válvula de retención:
Una válvula de retención con componente de sacrificio deja pasar
uno o más líquidos, pero corta el paso a uno indeseado.
Una válvula de retención, instalada al revés en un tubo se mantiene
abierta con un alambre o una placa de sacrificio que se disuelve con
rapidez en el líquido indeseado. Cuando ocurre una mezcla de
líquidos, se disuelve el componente de sacrificio, permite que se
cierre la válvula de retención y se impida la contaminación corriente
abajo.
Un componente de sacrificio se disuelve en el líquido indeseado,
cierra la válvula de retención y corta el flujo. En donde pueden
ocurrir mezclas, esta válvula brinda un margen
de seguridad adicional.
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Válvula de asientos o globo:
El uso principal de la válvula de globo es para estrangulación porque
puede producir una caída repetible de presión en una amplia gama de
presiones y temperaturas. Sin embargo, tiene baja capacidad y duración
limitada del asiento debido a la turbulencia. Su mantenimiento es
costoso porque el sellamiento es de metal con metal, aunque ya hay
asientos de materiales elastoméricos. Estas limitaciones explican por
qué son inadecuadas para servicio con pastas aguadas.
7. SOPORTES:
La importancia de soportar la tubería correctamente es uno de los
principales aspectos a considerar en el diseño de tuberías. El tema está
relacionado con la dilatación y la flexibilidad de las tuberías y los esfuerzos
impuestos no deben exceder los valores admisibles para el tubo, ya que de
otro modo pueden producirse atascos junto con deformaciones indebidas
de las uniones. También deben considerarse las estructuras locales desde
las que han de ser soportadas las tuberías.
Soportes De Tubos Para Tuberías A Temperatura Ambiente:
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El elemento más importante al estudiar los soportes de tubos es el vano
admisible del tamaño del tubo, los tramos de tubería no son siempre
sencillos o rectos. Se encuentran con frecuencia válvulas pesadas u
otros elementos similares pesados y estas cargas concentradas han de
tenerse en cuenta. Además el punto más importante es asegurarse de
que el tendido aprovecha al máximo las condiciones locales para hacer
los soportes.
El enfoque matemático para hacer el vano admisible entre los soportes
utiliza las fórmulas de las vigas, los esfuerzos flectores máximos y las
flechas resultantes. Normalmente, se supone que los tubos están
simplemente apoyados o que son vigas continuamente apoyadas.
Normalmente, se supone que los tubos están simplemente apoyados o
que son vigas continuamente apoyadas.
Soportes De Tubos De Fundición Gris Y Fundición Dúctil:
Los tubos de fundición en tramos largos y rectos se consideran, en
general, como vigas continuas. Para asegurar que bridas no sufren
elevados esfuerzos, los soportes deben situarse de modo que las bridas
estén tan cerca como sea posible de los puntos de momento flector
nulo. Los soportes, deben situarse en el tercio medio de tramos
alternados, lo que significa que los centros de soporte máximos están en
función de las longitudes normalizadas.
V. SISTEMA DE TUBERIAS.-
El método más común para transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo
a través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son las
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más frecuentes, ya que esta forma ofrece no sólo mayor resistencia estructural
sino también mayor sección transversal para el mismo perímetro exterior que
cualquier otra forma.
El manejo de los fluidos en superficie provenientes de un yacimiento de
petróleo o gas, requieren de la aplicación de conceptos básicos relacionado
con el flujo de fluidos en tuberías en sistemas sencillos y en red de tuberías, el
uso de válvulas accesorios y las técnicas necesarias para diseñar y especificar
equipos utilizados en operaciones de superficie.
El estudio del flujo en sistemas de tuberías es una de las aplicaciones más
comunes de la mecánica de fluidos, esto ya que en la mayoría de las
actividades humanas se ha hecho común el uso de sistemas de tuberías. Por
ejemplo la distribución de agua y de gas en las viviendas, el flujo de
refrigerante en neveras y sistemas de refrigeración, el flujo de aire por ductos
de refrigeración, flujo de gasolina, aceite, y refrigerante en automóviles, flujo de
aceite en los sistemas hidráulicos de maquinarias, el flujo de gas y petróleo en
la industria petrolera, flujo de aire comprimido y otros fluidos que la mayoría de
las industrias requieren para su funcionamiento, ya sean líquidos o gases. El
transporte de estos fluidos requiere entonces de la elaboración de redes de
distribución que pueden ser de varios tipos: Tuberías en serie, Tuberías en
paralelo, Tuberías ramificadas y Redes de tuberías
1. TUBERÍAS EN SERIE: Si un sistema de línea de tubería se dispone de
tal forma que el fluido corra en una línea continua sin ramificaciones (un
solo camino) se le llama sistema en serie.
2. TUBERÍAS EN PARALELO: Si un sistema de línea de tuberías provoca
que el fluido que sale de un punto inicial se ramifique en dos o más
líneas, y llegan a un mismo punto final se llama sistema en paralelo.
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3. TUBERÍAS RAMIFICADAS: El fluido que sale de un punto llega es
llevado a dos o más puntos diferentes. En este caso el sistema se
subdivide en ramas o tramos, que parten de de un nodo hasta el nodo
siguiente.
4. REDES DE TUBERÍAS O TUBERÍAS EN MALLAS: Se habla de redes
de tuberías cuando el fluido se lleva de un punto hacia diversos puntos a
través de varios caminos (muchos puntos con caudales entrantes y
salientes). Este tipo de configuración es común en sistemas de
acueductos, en donde se forman ramificaciones complicadas formando
mallas. Esta configuración posee la virtud de permitir realizar
reparaciones a algún sector del sistema sin tener que interrumpir el
suministro.
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Los sistemas de tuberías están formados por tramos de tuberías y
aditamentos. En este caso los aditamentos son aquellas tuberías que se
alimentan aguas arriba (1) por un depósito o una bomba y descargan aguas
abajo (2) libremente a la atmósfera o a otro depósito (Sistema sencillo). En
cualquier sistema de tuberías se pueden presentar los tres problemas
hidráulicos: cálculo de pérdidas, comprobación de diseño y diseño de la
tubería. Siempre se trata de llegar a sistemas determinados en que a partir
de unos datos se tienen inequívocamente “n” incógnitas para “n” ecuaciones.
VI. ESQUEMA DE CONJUNTO.-
Se dibuja en planta, sin escala, con símbolos muy simplificados que dan idea
general del proceso, en empresas químicas, o del esquema total de la
instalación en instalaciones
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Esquema de un tramo de tubería
Los símbolos están normalizados (DIN 2429 y DIN 2430), y se muestra un
extracto a continuación:
Estos esquemas no dan idea de la disposición de los aparatos en el espacio
y para ello, en caso necesario, se acompañan de dibujos en perspectiva
isométrica que de un golpe de vista indican la disposición general.
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BIBLIOGRAFÍA:
S. R. Majumdar, “Sistemas Neumáticos: Principios y Mantenimiento “,
McGraw Hill, 1997.
Termodinámica, Virgil Moring Faires, 1ra edición.
Máquinas para Fluidos 1, Compresores. Instituto de mecánica de los Fluidos e
Ingeniería ambiental, 2010.
LINKOGRAFÍA:
http://www.festodidactic.com/ov3/media/customers/1100/059804800115632
1794.pdf
http://www.dte.us.es/tec_ind/electron/ai/descarga/Apuntes%20De%20Neum
atica%20FESTO.pdf
http://es.wikipedia.org/wiki/Neum%C3%A1tica
http://es.slideshare.net/sevilla_carlos2004/sistemas-neumaticos
http://es.wikipedia.org/wiki/Compresor_(m%C3%A1quina)
http://www.aficionadosalamecanica.net/turbo_vtg.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Turbocompresor
