FUNDAMENTOS DEL MOTOR DE AIRE COMPRIMIDO
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1 UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTO DE INGENIERIA MECÁNICA PIM115 CICLO I-2010 TEMA: “FUNDAMENTOS DEL MOTOR ALIMENTADO POR AIRE COMPRIMIDO” DOCENTE: ING. AGUSTIN BARRERA CARPIO PRESENTAN: APONTES SANTOS, JUAN EDUARDO CUBIAS ALAS, MARVIN ALONSO ROMERO MARTÍNEZ, WILLIAM GUILLERMO Ciudad Universitaria, 19 de julio de 2010
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LOS FUNDAMENTOS QUE SUSTENTAN LA CREACION DEL MOTOR QUE TRABAJA POR AIRE COMPRIMIDO
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTO DE INGENIERIA MECÁNICA PIM115 CICLO I-2010 TEMA:
“FUNDAMENTOS DEL MOTOR ALIMENTADO POR AIRE COMPRIMIDO”
DOCENTE: ING. AGUSTIN BARRERA CARPIO PRESENTAN: APONTES SANTOS, JUAN EDUARDO CUBIAS ALAS, MARVIN ALONSO ROMERO MARTÍNEZ, WILLIAM GUILLERMO
Ciudad Universitaria, 19 de julio de 2010
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INDICE
Contenido
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 4
CAPÍTULO I
1. MÁQUINA Y MOTOR ............................................................................................................. 5
1.1 MÁQUINAS DE FLUIDO .................................................................................................... 5
1.2 ENTALPÍA DE UN FLUIDO ................................................................................................. 6
1.3 MOTOR TÉRMICO ............................................................................................................ 7
1.4 TIPOS DE MOTORES TÉRMICOS ....................................................................................... 7
2. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ...................................................................................... 8
2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO EN MOTORES ALTERNATIVOS ..................................... 8
2.1.1 MOTOR OTTO ........................................................................................................... 8
2.1.2 MOTOR DIESEL ......................................................................................................... 9
2.1.3 MOTOR DE DOS TIEMPOS ....................................................................................... 10
2.2 SISTEMAS AUXILIARES ................................................................................................... 10
2.2.1 SISTEMA DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN ................................................................. 11
2.2.2 LUBRICACION EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ......................................... 21
2.2.3 ENFRIAMIENTO EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ...................................... 23
3. ANALISIS DE ECUACIONES Y VARIABLES ............................................................................... 25
3.1 CUADRO DESCRIPTIVO DE LAS ECUACIONES. ................................................................. 31
CAPÍTULO II
4. DEFINICION DE COMPRESORES ........................................................................................... 36
4.1 CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES.......................................................................... 36
4.1.1 COMPRESORES ALTERNATIVOS ............................................................................... 36
4.1.2 COMPRESORES CENTRÍFUGOS ............................................................................... 38
4.1.3 COMPRESORES DE TORNILLO O HELICOIDALES ....................................................... 41
4.2 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS DISTINTOS TIPOS DE COMPRESORES .................. 43
5. RECIPIENTES A PRESIÓN ...................................................................................................... 45
5.1 GENERALIDADES............................................................................................................ 45
5.1.1 CONCEPTOS BÁSICOS.............................................................................................. 46
5.2 TIPOS DE RECIPIENTES ................................................................................................. 49
3
5.2.1. POR SU USO .......................................................................................................... 50
5.2.2. POR SU FORMA ..................................................................................................... 50
5.3 TIPOS DE TAPAS ........................................................................................................ 52
5.4 MATERIALES EN RECIPIENTES A PRESIÓN ...................................................................... 56
5.4.1 ESPECIFICACIONES DE LOS ACEROS. ........................................................................ 57
5.4.2 CLASES DE MATERIALES .......................................................................................... 58
5.4.3 SOCIEDADES E INSTITUTOS QUE RIGEN LA SELECCIÓN DE MATERIALES Y
FABRICACION DE RECIPIENTES A PRESION ....................................................................... 60
5.4.4 PROPIEDADES QUE DEBEN TENER Y REQUISITOS QUE DEBEN LLENAR LOS
MATERIALES PARA SATISFACER LAS CONDICIONES DE SERVICIO...................................... 65
5.5 CARGAS Y ECUACIONES DE LOS RECIPIENTES A PRESIÓN ............................................... 67
5.5.1 TIPOS DE CARGAS ................................................................................................... 67
5.5.2 DISCONTINUIDAD ................................................................................................... 68
5.5.3 ECUACIONES UTILIZADAS EN LOS RECIPIENTES A PRESIÓN...................................... 70
CAPÍTULO III
6. ELABORACION DE PROPUESTAS .......................................................................................... 77
6.1 PROPUESTA 1 .............................................................................................................. 77
6.1.1 ANÁLISIS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS ........................................................................ 77
6.1.2 PROCEDIMIENTO .................................................................................................... 77
6.1.3 EJEMPLO DE CÁLCULOS ......................................................................................... 79
6.1.4 DESCRIPCIÓN Y ANALISIS TERMODINÁMICO DE LA PROPUESTA 1 ........................... 81
6.1.5 DETALLE DEL SISTEMA PROPUESTO ........................................................................ 84
6.2 PROPUESTA 2 ................................................................................................................ 86
6.2.1 ANÁLISIS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS ........................................................................ 86
6.2.2 PROCEDIMIENTO .................................................................................................... 86
6.2.3 PROCEDIMIENTO PARA CALCULAR LA MASA QUE ENTRA AL CILINDRO
.............................................................................................................. 88_Toc276541293
6.2.4 EJEMPLO DE CÁLCULOS .......................................................................................... 93
6.2.5 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS TERMODINÁMICO ........................................................... 95
CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 99
BILIOGRAFIA ......................................................................................................................... 100
ANEXOS ................................................................................................................................ 101
4
INTRODUCCIÓN
Desde hace muchos años atrás se empezó la búsqueda de alternativas
energéticas que fueran independientes de los combustibles fósiles, en vista del
inminente aumento y su carácter no renovable. Debido a lo anterior, la
ingeniería debe enfocar sus esfuerzos en crear alternativas favorables al
desarrollo de energías de carácter renovable y amigable con el medio
ambiente.
Un recurso renovable muy explotable y de cantidad prácticamente infinita es el
aire, y que gracias a la enorme investigación desarrollada en países como
Brasil y Francia, es posible crear un motor que en vez de ser impulsado por la
combustión de combustibles fósiles funcione con aire comprimido debido a su
poder energético.
En 1993 el ingeniero francés Guy Nègre, un veterano del mundo de los coches
de carreras Fórmula 1, empieza a estudiar un motor con un sistema de
distribución rotativa bajo el sello de una empresa creada por el mismo en 1991
Motor Development International (MDI). El primer prototipo en forma de taxi se
presenta en 1997 con un sistema de depósitos debajo del chassis. El
combustible de esta singular apuesta de movilidad no contaminante es aire
comprimido almacenado en depósitos de fibra con capacidad para 90 m3 de
aire comprimido a 300 atmósferas. Así nace el motor de aire comprimido CAT
(Compressed Air Technologie systems).
Para el presente trabajo de la asignatura Proyecto de Ingeniería Mecánica se
pretende adaptar un sistema de alimentación de aire comprimido a un motor
convencional de combustión interna, llevando a cabo el respectivo análisis de
las variables que están presentes en el motor, además de analizar la manera
de cómo y dónde se inyectará el aire comprimido.
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1. MÁQUINA Y MOTOR
Máquina como un concepto general se puede definir de la siguiente manera:
“Conjunto de elementos cuya función es la de transformar la energía"
La transformación de la energía se puede realizar entre un solo dominio
(mecánico, eléctrico, químico, etc.), o de uno a otro, como se muestra en la
figura 1.
Fig. 1 Transformación de la energía
Con base en la definición anterior se puede entrar a definir motor como:
“Máquina cuya función es la de transformar cualquier tipo de energía, en
energía mecánica útil al hombre asociada al movimiento de un cuerpo rígido
(rotación de un eje, desplazamiento de un cilindro, movimiento del propio motor
en su conjunto, etc.) "
Lo anterior se esquematiza en la figura 2:
Fig. 2 Flujo de energía en un motor
1.1 MÁQUINAS DE FLUIDO
Las máquinas de fluido se pueden definir de la siguiente manera:
“Son aquellas en las cuales el intercambio energético tiene lugar entre un fluido
y un cuerpo rígido "
Las máquinas de fluido se pueden clasificar de la siguiente forma:
Máquinas Hidráulicas: Son aquellas en las cuales el fluido con el cual
se intercambia la energía, se considera incompresible, es decir, es un
líquido.
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Máquinas Térmicas: Son aquellas en las cuales el fluido con el cual se
intercambia la energía, se considera compresible, es decir, es un gas o
un vapor.
1.2 ENTALPÍA DE UN FLUIDO
En los fluidos se puede almacenar energía básicamente en tres formas:
Aumentando la energía potencial debida a la gravedad.
Aumentando la energía cinética.
Aumentando la entalpía.
La entalpía de un fluido se puede definir de la siguiente manera:
"Energía almacenada en un fluido asociada a su energía interna y a su presión"
La expresión matemática de la entalpía es la siguiente:
Donde:
: Entalpía.
: Energía interna del fluido.
: Presión del fluido.
: Volumen que ocupa el fluido.
La energía interna de un fluido se define de la siguiente forma:
“Energía almacenada en un fluido asociada a las energías cinética y potencial,
que poseen sus partículas en virtud de sus velocidades y posiciones relativas ".
La energía interna depende de la temperatura y del volumen del fluido, lo que
indica que en caso de fluidos incompresibles solo dependerá de la temperatura.
Esto muestra intuitivamente que se puede almacenar una mayor cantidad de
energía en un gas que en un líquido, ya que en el primer caso se pueden
manejar dos variables (temperatura y volumen), mientras que en el segundo
solo una de ellas.
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1.3 MOTOR TÉRMICO
Manteniendo consistencia con las definiciones anteriores, se define un motor
térmico de la siguiente forma:
“Es una máquina de fluido que transforma parte de la energía almacenada en
un fluido compresible, en energía mecánica útil asociada al movimiento de un
cuerpo rígido "
La palabra térmico asociada a este tipo de máquinas, proviene del hecho de
que la forma en la cual se eleva comúnmente la energía almacenada en el
fluido compresible, se realiza a través de una adición de calor.
En la mayoría de máquinas térmicas la adición de calor con la cual se eleva la
energía almacenada en un fluido compresible, se realiza a través de un
proceso químico de combustión, razón por la cual son comunes las
designaciones "Máquinas de combustión" o "Motores de combustión".
1.4 TIPOS DE MOTORES TÉRMICOS
Como se mencionó anteriormente al hablar de motores térmicos se hace
referencia normalmente a motores de combustión, y es precisamente en base a
esta característica que se clasifican este tipo de máquinas.
Los motores térmicos o de combustión se clasifican de acuerdo a que ocurra o
no el proceso de la combustión en el fluido de trabajo (fluido del cual toma la
energía el motor), encontrándose la siguiente subdivisión:
Motor de combustión externa: Es aquel en el cual el fluido de trabajo
no es el que experimenta el proceso de la combustión, sino que ésta se
lleva a cabo en un segundo fluido que no le transfiere directamente la
energía al motor, sino al fluido de trabajo.
Motor de combustión interna: Es aquel en el cual el fluido de trabajo
es el que experimenta el proceso de la combustión, y a su vez le
transfiere directamente la energía al motor.
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2. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
En los motores de combustión interna el fluido de trabajo experimenta también
el proceso de la combustión, constando básicamente de una mezcla de aire y
combustible inicialmente, que al quemarse dentro del motor se transforma en
una serie de gases de combustión con alta energía, la cual se transfiriere
posteriormente a la máquina.
Los motores de combustión interna se clasifican de la siguiente forma:
Motores alternativos: Estos poseen el mismo principio de
funcionamiento de la máquina de vapor, solo que aquí el fluido de
trabajo si experimenta el proceso de la combustión. En la figura 3 se
muestra esquemáticamente un motor alternativo.
Fig. 3 Motor alternativo
2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO EN MOTORES ALTERNATIVOS
Los primeros motores de combustión interna no tenían compresión, sino que
funcionaban con una mezcla de aire y combustible aspirada o soplada dentro
durante la primera parte del movimiento del sistema. La distinción más
significativa entre los motores de combustión interna modernos y los diseños
antiguos es el uso de la compresión.
2.1.1 MOTOR OTTO
El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos. La eficiencia de los
motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la pérdida
de energía por la fricción y la refrigeración.
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En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende del grado de
compresión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los
motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12
a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la
utilización de combustibles de alto índice de octano. La eficiencia media de un
buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía
calorífica se transforma en energía mecánica. El principio de funcionamiento se
presenta de la siguiente manera:
1.Tiempo de admisión: El aire y el combustible vaporizado entran al cilindro.
2.Tiempo de compresión:El vapor de combustible y el aire son comprimidos
al interior del cilindro.
3.Tiempo de combustión o potencia: El combustible se inflama y el pistón es
empujado hacia abajo debido a la presión resultante de los gases de la
explosión.
4.Tiempo de escape: Los gases de escape se conducen hacia fuera para ser
expulsados a la atmósfera.
2.1.2 MOTOR DIESEL
En teoría, el ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar
en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión
constante. La mayoría de los motores diesel tienen también cuatro tiempos, si
bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina.
En la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la
segunda fase, la fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su
volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 °C. Al final de la
fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara
de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del
aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustión empuja el pistón
hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es, al igual que
en los motores Otto, la fase de expulsión.
Algunos motores diesel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el
combustible al arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada.
La eficiencia de los motores diesel depende, en general, de los mismos
factores que los motores Otto, y es mayor que en los motores de gasolina,
llegando a superar el 40%. Este valor se logra con un grado de compresión de
14 a 1, siendo necesaria una mayor robustez, y los motores diesel son, por lo
general, más pesados que los motores Otto.
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Los motores diesel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de
100 a 750 rpm, mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm.
No obstante, en la actualidad, algunos tipos de motores diesel trabajan a
velocidades similares que los motores de gasolina, pero por lo general con
mayores cilindradas debido al bajo rendimiento del gasoil respecto a la
gasolina.
2.1.3 MOTOR DE DOS TIEMPOS
Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diesel
funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de
cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los
motores de cuatro tiempos, pero al necesitar sólo dos tiempos para realizar un
ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo
tamaño.
El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de
los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte
mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un
tiempo completo.
El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de
cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que quedan expuestos al
desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos tiempos la mezcla de
combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando
el pistón está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera
fase es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el
pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia atrás
en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los
gases salgan de la cámara.
2.2 SISTEMAS AUXILIARES
En un diagrama de bloques de entradas y salidas (Fig. 9), tendríamos como
entrada: aire y combustible y el aporte de sistemas auxiliares necesarios
para el funcionamiento como son los sistemas de lubricación, refrigeración y
energía eléctrica; y en el interior del motor, sistema de distribución,
mecanismos pistón-biela-manivela y como producto de salida final tendríamos
la energía mecánica utilizable, además tendríamos como residuos o productos
de la ineficiencia los gases de la combustión y calor cedido al medio.
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Fig. 9 diagrama de bloques de entradas y salidas en MCI
2.2.1 SISTEMA DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN
Se denomina combustión al fenómeno que tiene lugar al explotar el gas
combustible que se halla en el interior del cilindro. La combustión se produce
en el tiempo de expansión o potencia, o sea en el tercer tiempo del ciclo del
motor.
La combustión empieza cuando el combustible se inflama debido a la
compresión existente en el interior del cilindro.
2.2.1.1 LAS CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES DIESEL
La mezcla de combustible y aire debería quemar en forma uniforme y
progresiva, puesto que una detonación violenta de la mezcla provoca un estado
de marcha desigual, el llamado “picado diesel”. Para lograr la combustión
correcta, el combustible y el aire deben mezclarse adecuadamente. En los
motores en que ese combustible se inyecta directamente a la cámara de
combustión, se obtiene una mezcla más eficaz creando una turbulencia en el
aire del interior del cilindro a medida que se comprime.
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Esto suele hacerse perfilando la cabeza del émbolo de forma que obligue al
movimiento del aire durante su compresión. En otros tipos de motor hay unas
cámaras de turbulencia o cámaras de precombustión para mejorarla. Una
cámara de turbulencia es una pequeña cámara esférica, situada encima o a un
lado de la cámara principal de combustión y conectada con ella por una
lumbrera.
Cuando se comprime el aire del cilindro se obliga a que una parte del mismo
pase a la pre-cámara de combustión, donde se crea un efecto de torbellino
debido a su forma. El combustible es inyectado en esta cámara, donde se
produce una combustión preliminar que fuerza a la mezcla a salir hacia la
cámara principal, donde se completa su combustión.
La pre-cámara de combustión, en la que se inyecta el combustible, está unida a
la cámara principal mediante una seria de estrechos pasos; parte de la mezcla
de esta primera cámara de inflama y expansiona, forzando a la restante
mezcla, no encendida, a través de los pasos de conexión, hasta la cámara
principal, donde llegan como una fina pulverización que arde de modo
uniforme.
Al producirse el encendido, el combustible pulverizado procedente del inyector
se calienta con el aire comprimido y se mezcla con él. La combustión se
extiende a toda la mezcla y la presión en el interior del cilindro aumenta. Esto
es lo que se llama combustión normal, pues el encendido se produce en
instante previsto. Combustión anormal, por el contrario, es la que, al no
proceder del chorro de combustible del inyector, no se realiza en el instante
previsto.
Las causas pueden ser un contacto de superficie o el autoencendido.
En el primer caso se produce, la mayoría de las veces, un calentamiento
excesivo de la válvula de escape, lo que produce pérdida de potencia,
funcionamiento ruidoso e irregularidades en la marcha, así como el encendido
de residuos de la mezcla que no han sido expulsados en el tiempo de escape.
Esta anormalidad se evita mejorando la refrigeración del motor y procurando
que no se formen depósitos carbonosos.
En cuanto a la combustión anormal por autoencendido, se da al producirse la
“detonación” o combustión espontánea de la mezcla que queda en la cámara.
Esto repercute en el sistema de refrigeración, ya que este no puede eliminar
todo el calor producido, lo que causa calentamientos excesivos.
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RELACIÓN DE COMPRESIÓN EN MOTORES DIESEL
En el motor Diesel la relación de compresión es mucho más elevada que en el
motor de gasolina, pues se comprime el aire, de modo que se elimina el peligro
de autoencendido, al no comprimirse el combustible.
En un gráfico se puede observar que el rendimiento del motor mejora a medida
que aumenta la relación de compresión. Sin embargo, a partir del grado de
compresión 15 el aumento del rendimiento es menor y la curva se hace más
plana.
Esto provoca presiones muy fuertes en interior del cilindro, lo que exige un
motor más robusto y, en consecuencia, más pesado y más caro.
Por lo tanto, en motores medianos o grandes de menos de 750 rpm, la relación
de compresión debe oscilar entre 12 y 14, y en motores pequeños entre 14 y
22.
FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA COMBUSTIÓN
Entre los factores que intervienen en la combustión el principal es la velocidad
de combustión de la mezcla, que depende:
a) De la temperatura: si es alta, la velocidad de combustión será mayor.
b) De la forma de la cámara de combustión.
c) Del grado de turbulencia.
d) De la presión de la mezcla: cuanto mayor sea, mayor es la proporción de la
llama.
Un segundo factor es la pulverización del combustible: a mayor
pulverización se obtendrá mayor rendimiento.
CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MOTORES DIESEL
Según el tipo de cámara de combustión los motores Diesel pueden clasificarse
como sigue:
a) Con cámara de inyección directa.
b) Con cámara arremolinadora.
c) Con cámara de combustión con deposito de aire.
d) Con pre-cámara de combustión.
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Las principales características de las cámaras anteriormente mencionadas son: a) Con cámara de inyección directa. El combustible se inyecta directamente en el cilindro (Fig. 10-1). La culata
cierra el cilindro con una superficie plana, mientras que el inyector está situado
en el centro.
El inconveniente principal de este tipo de motor radica en que el aire esta poco
agitado, siendo el inyector el responsable exclusivo de la mezcla, por lo que su
fabricación ha de ser muy perfecta, y por lo tanto costosa.
En estas condiciones, y para aprovechar al máximo la combustión, es
conveniente que la cámara adopte la forma del chorro de combustible, o a la
inversa.
b) Con cámara arremolinadora.
El motor Diesel rápido con diámetro de cilindro pequeño plantea el problema de
obtener una mezcla rápida y homogénea de combustible y aire. Para lograrlo
se lleva el aire al combustible, dotando a este de un movimiento de remolino, lo
que provoca una fuerte turbulencia al llegar el embolo a su punto muerto
superior (Fig. 10-2).
En una cámara de combustión con turbulencia, al ser aspirado el aire es
enviado tangencialmente, por lo que la válvula de aspiración lleva una especie
de pantalla que guía adecuadamente la corriente de aire.
Además de este movimiento existe otro transversal que impulsa al embolo
dentro de la cámara.
Las cámaras arremolinadoras también pueden estar separadas, en ellas, la
cámara de combustión esta por entero fuera del cilindro; el espacio entre
embolo y culata, al hallarse aquel en el punto muerto superior, es únicamente
el preciso para permitir las dilataciones propias del funcionamiento. En este
caso, la cámara tiene forma de esfera.
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Fig. 10 Tipos de cámara de inyección directa y arremolinadora
c) Con cámara de combustión con deposito de aire.
Este tipo de cámaras se llaman también de acumulación (Fig. 11). El depósito
de aire está constituido por una pieza postiza situada en el embolo, la cual
comunica con la cámara de combustión a través de un orificio. Durante la
compresión el aire se introduce en el depósito. Antes de alcanzarse el punto
muerto superior comienza la inyección. Al pasar del punto muerto superior el
movimiento del embolo se invierte, aumenta el volumen de la cámara de
combustión y disminuye la presión que había en ella. El aire sale a través del
orificio alimentando la llama en la zona del embudo y originando la combustión
completa del combustible inyectado.
16
Fig. 11 Cámara del tipo depósito de aire
d) Con antecámara de combustión.
Estos motores se denominan también de combustión dividida o de pre–combustión. Se caracterizan por tener el espacio en que se desarrolla la combustión
dividido en dos: por una parte la cámara comprendida entre la cabeza del
embolo y la culata (Fig. 12), y por otra la pre-cámara, situada generalmente en
la culata.
En este tipo de cámara el funcionamiento es como sigue: al final de la carrera
de compresión se inyecta el combustible. Parte de este combustible arde en la
antecámara, aumentando la presión; el combustible que queda sin arder es
proyectado, a través de un orificio de la antecámara, a la cámara principal. En
esta encuentra el aire que precisa para completar la combustión.
La principal ventaja de este sistema consiste en que se puede inyectar
combustible a presiones relativamente bajas: de 80 a 160 atmósferas, en vez
de las 250 – 350 necesarias en la inyección directa.
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Fig. 12 Cámara de combustión con precámara.
Comparación entre las diversas cámaras para motores diesel
La cámara de inyección directa es, desde el punto de vista constructivo, la más
sencilla y económica. En general, es preferible cuando las dimensiones del
motor permiten el uso de toberas con orificios de diámetro suficiente para evitar
peligros de taponamiento. En principio conviene que su diámetro sea, como
mínimo, de 100 mm.
Por el contrario, para motores con menor diámetro es preferible el empleo de
cámaras arremolinadoras; y para motores pequeños y rápidos las mas
indicadas son las cámaras de inyección indirecta, o sea con deposito de aire, y
las pre-cámaras.
En los sistemas de inyección directa, como no existe pre-cámara, no hay
pérdidas expuestas y el rendimiento del motor aumenta. La revolución de
compresión puede ser más baja, reduciéndose así las pérdidas por rozamiento,
ya que en la inyección directa no es necesario bombear el aire hacia adentro y
hacia fuera de la pre-cámara.
Los motores de inyección directa son aproximadamente un 15 % más eficientes
que los de inyección indirecta, y más simples en cuanto al arranque, al tener
menos perdidas de calor. La combustión es más completa y el motor
desprende menos humos. Ahora bien, su aplicación en los motores rápidos ha
tenido que sobreganar dos problemas: los ruidos y vibraciones y el arranque en
frío.
El rendimiento energético de los motores con inyección directa es netamente
superior a los motores de inyección indirecta.
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2.2.1.2 LAS CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES
ENCENDIDOS POR CHISPA
La cavidad que se encuentra en la parte superior del cilindro constituye la
cámara de combustión. Esta cámara es el lugar donde se quema la mezcla de
aire combustible.
La configuración de la cámara es de suma importancia, ya que la eficacia del
motor depende de ello. La cámara de combustión está diseñada para
concentrar completamente la fuerza explosiva del combustible que se quema
en la cabeza del pistón.
Una cámara de combustión eficiente debe reunir ciertos requisitos:
- Ser pequeña para reducir al mínimo la superficie que absorbe calor al
inflamarse la mezcla combustible.
- No tener grietas o rincones que causen combustión espontanea o golpeteo
(cascabeleo).
- Debe poseer un espacio para la bujía, la cual idealmente se debe colocar en
el centro de la cámara con el fin de reducir el tiempo necesario, para que se
inflame toda la mezcla combustible, ya que la velocidad con que avanza la
llama de la combustión en la cámara está limitada.
Se sabe que la turbulencia que se logra en el proceso de admisión es
importante pero se mejora con el traspaso de la mezcla a la cámara de
combustión, consiguiéndose acelerar la combustión residual.
Para que se logre una mejor combustión en los motores de combustible ligero y
disminuir su toxicidad se debe:
- Aumentar la intensidad de la chispa que salte de la bujía.
- Crear turbulencia de la mezcla o carga en la admisión, que reduce la duración
de la combustión y la uniformidad de los ciclos consecutivos.
- Estratificar la mezcla, lo que consiste en que la mezcla cerca de la bujía sea
la más rica y se empobrezca a medida que se aleja de la bujía.
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TIPOS DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN EN MOTORES ENCENDIDOS POR CHISPA.
Cámara de combustión hemisférica Posee suficiente espacio para que los orificios de admisión y de escape sean
de gran tamaño (Fig. 13), que sirve para que el motor tenga un máximo de
entrada y salida de gases en cada cilindro, lo cual produce gran potencia
cuando el motor está muy revolucionado. La bujía colocada en el centro,
inflama toda la mezcla combustible en el menor tiempo posible.
Fig. 13 Cámara de combustión del tipo hemisférica
Cámara de tina
Tiene la forma de una tina invertida con las válvulas en la parte inferior de la misma. Ya que las válvulas se pueden colocar en una sola hilera, el mecanismo que
las hace funcionar es muy sencillo. La forma alargada y ovalada de la tina
controla la turbulencia excesiva, y las paredes lisas por donde sube el pistón
hasta el tope, hacen que se produzcan los chorros necesarios para que la
mezcla forme turbulencias o remolinos. Los cilindros de gran diámetro y cortas
cerreras del pistón hacen posible el uso de las válvulas grandes, para lograr el
paso adecuado de los gases.
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Fig. 14 Cámara del tipo de tina
Cámara en forma de cuña
Es más bien reducida. El corto recorrido de la llama (que va desde la bujía al
punto más distante de la cámara) reduce la propensión al autoencendido (pre–
ignición) o detonación. La explosión produce remolinos turbulentos cuando el
pistón expulsa la mezcla de la zona más estrecha. La turbulencia mantiene
bien mezclado el aire y el combustible de principio a fin, para que exista
combustión uniforme. La expulsión también enfría la mezcla que se encuentra
en las esquinas y reduce los puntos calientes que causen autoencendido.
Cámara de expulsión
Es una variante de cualquiera de las formas comunes. La zona de expulsión es
la superficie plana de la cabeza, la cual casi toca la cabeza del pistón. Cuando
este sube en el tiempo de compresión, expulsa los gases quemados a chorros
y en forma de remolino hacia la cámara de combustión. El movimiento hace
que el aire y el combustible se mezclen totalmente logrando una vaporización y
una combustión más completa. La mezcla se enfría al rozar las paredes de la
cámara, que están menos calientes gracias a los conductos de enfriamiento.
Cámara situada en la cabeza del pistón
La cámara de combustión situada en la cabeza del pistón, la poseen los
motores diesel y algunos motores de gasolina para automóviles europeos.
Desaparece la ventaja de fabricar pistones con cabeza plana y eleva el costo
de fabricación de este tipo de pistones y aumenta el peso de estos.
21
2.2.2 LUBRICACION EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
La lubricación tiene varios objetivos. Entre ellos se pueden mencionar los
siguientes:
i. Reducir el rozamiento o fricción para optimizar la duración de los
componentes.
ii. Disminuir el desgaste.
iii. Reducir el calentamiento de los elementos del motor que se mueven unos
con respecto a otros.
Para cumplir con estos objetivos existen 5 tipos diferentes de lubricación los
cuales son muy importantes, éstos son:
• Hidrodinámica: Es aquella en la que las superficies que interactúan (cojinete
y flecha) y que soportan la carga (puede ser el peso) y que generan esfuerzos
mecánicos, están separadas por una capa de lubricante relativamente gruesa a
manera de impedir el contacto entre metal y metal.
• Hidrostática: Se obtiene introduciendo el lubricante en el área de soporte de
la carga a una presión suficientemente elevada para separar las superficies con
una capa relativamente gruesa de lubricante. Se utiliza en los elementos donde
las velocidades son relativamente bajas.
• Elastohidrodinámica: Es el fenómeno que ocurre cuando se introduce un
lubricante entre las superficies que están en contacto rodante como los
engranes y los cojinetes, generalmente se debe al comportamiento que tiene el
lubricante debido a su composición química.
• De película mínima o al límite: Este tipo de lubricación es muy importante
porque se genera cuando se presenta una condición anormal en el motor como
por ejemplo un sobrecalentamiento excesivo del aceite lubricante.
• Con material sólido: Este tipo de lubricación se genera cuando se agregan
partículas de material sólido al lubricante, éstas pueden ser de materiales
antifriccionantes como el grafito o el disulfuro de molibdeno
En la lubricación de un motor de combustión interna generalmente se
presentan combinaciones de estos fenómenos lo cual mejora la efectividad de
la lubricación.
Este sistema es el que mantiene lubricadas todas las partes móviles de un motor, a la
vez que sirve como medio refrigerante. Tiene importancia porque mantiene en
movimiento mecanismos con elementos que friccionan entre sí, que de otro modo se
22
engranarían, agravándose este fenómeno con la alta temperatura reinante en el
interior del motor.
La función es la de permitir la creación de una cuña de aceite lubricante en las
partes móviles, evitando el contacto metal con metal, además produce la
refrigeración de las partes con alta temperatura al intercambiar calor con el
medio ambiente cuando circula por zonas de temperatura más baja o pasa a
través de un radiador de aceite. Consta básicamente de una bomba de
circulación, un regulador de presión, un filtro de aceite, un radiador de aceite y
conductos internos y externos por donde circula.
El funcionamiento es el siguiente: un bomba, generalmente de engranajes,
toma el aceite del depósito del motor, usualmente el cárter, y lo envía al filtro a
una presión regulada, se distribuye a través de conductos interiores y
exteriores del motor a las partes móviles que va a lubricar y/o enfriar, luego
pasa por el radiador donde se extrae parte del calor absorbido y retorna al
depósito o cárter del motor, para reiniciar el ciclo.
Para el correcto funcionamiento de este sistema se debe inspeccionar
visualmente para detectar fugas, y presiones y temperaturas anormales de
fluido (aceite) de lubricación. Los controles al sistema pueden realizarse
visualmente midiendo con la varilla de medición el nivel de aceite para controlar
el consumo o detectar pérdidas y mediante instrumentos como son los
manómetros de presión y los termómetros controlar las condiciones del aceite y
del circuito y a la vez el funcionamiento del motor. Las fallas del sistema
básicamente son falta de nivel de aceite por pérdidas o consumos elevados,
alta temperatura del aceite por mal estado del sistema de refrigeración del
aceite o mal funcionamiento del motor, baja presión de aceite por bajo nivel o
degradación del aceite, falla de la bomba de circulación, falla del regulador de
presión o incremento en los huelgos de las partes móviles del motor por
desgaste.
Las reparaciones del circuito, en la práctica se basan principalmente en la
limpieza de los componentes del circuito y aletas del radiador de aceite,
reemplazo de los filtros y cambios periódicos del aceite, antes de su
degradación total. Las reparaciones mayores se limitan al reemplazo de los
componentes dañados del circuito, los cuales en su mayoría son elementos
estáticos y solamente la bomba de circulación es susceptible de roturas por
tener partes en movimiento.
23
2.2.3 ENFRIAMIENTO EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA
La temperatura es un parámetro que afecta de manera importante el
funcionamiento de los motores de combustión interna modernos.
En algunas partes del motor se tienen temperaturas mayores de 1000°C
(cámara de combustión), en algunos casos los gases de escape salen a
550°C. En un motor más de la tercera parte de energía que se le suministra a
través del combustible se pierde en forma de calor. El sistema de enfriamiento
es el que se encarga de que los diferentes componentes del motor se
mantengan en temperaturas seguras y así evitar que el motor sufra desgastes
prematuros o daños importantes y lograr con ello su máximo rendimiento.
Algunas partes del motor que se deben enfriar constantemente son:
♦ Cámara de combustión
♦ Parte alta del cilindro
♦ Cabeza del pistón
♦ Válvulas de escape y de admisión
♦ Cilindro
Los sistemas de enfriamiento modernos están diseñados para mantener una
temperatura homogénea entre 82° y 113°C.
Los sistemas de enfriamiento se clasifican generalmente de acuerdo al tipo de
elemento utilizado para enfriar el motor En algunos casos es un líquido y en
otros es aire.
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ENFRIAMIENTO
Los sistemas de enfriamiento se clasifican generalmente de acuerdo al tipo de
elemento utilizado para enfriar el motor En algunos casos es un líquido y en
otros es aire.
Ambos elementos presentan características muy particulares.
En sistemas que manejan aire como elemento refrigerante, se requieren
grandes cantidades de este elemento para enfriar al motor, por lo cual su uso
está restringido a motores pequeños (como en el caso de algunas
motocicletas) o en condiciones muy específicas.
Generalmente el aire es llevado al exterior del cilindro el cual cuenta con una
serie de aletas para mejorar la transferencia de calor, en otras ocasiones el aire
es utilizado además para enfriar un radiador por el cual circula el aceite
lubricante y es éste el que realmente enfría al motor.
Estos sistemas son muy confiables ya que no presentan fugas de la sustancia
refrigerante pero no son tan eficientes como los que utilizan una sustancia
24
líquida además de que proporcionan un mejor control de la temperatura en los
cilindros y la cámara de combustión.
PARTES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO
Al sistema de enfriamiento por líquido lo forman:
1. Radiador
2. Tapón de radiador
3. Mangueras
4. Termostato
5. Ventilador
6. Tolva
7. Bomba de agua
8. Poleas y bandas
9. Depósito recuperador (pulmón)
10. Camisas de agua
11. Intercambiador de calor (de aceite para motores a diesel)
12. Bulbo de temperatura
CIRCUITO DEL LÍQUIDO REFRIGERANTE EN EL MOTOR
Una banda acoplada a la polea del cigüeñal mueve la polea de la bomba de
agua, ésta provoca el movimiento del líquido refrigerante del motor hacia el
radiador, en él se hace pasar una corriente de aire movida por el ventilador
hacia el líquido refrigerante, lo que le permite bajar su temperatura y, a través
de unas mangueras, este líquido retorna hacia el motor para volver a iniciar el
ciclo.
El líquido que entra al motor transfiere parte del calor generado en la cámara
de combustión removiéndolo de la parte superior del cilindro, de las válvulas de
admisión y de escape, y del mismo cilindro a través de las camisas que lo
envuelven y que forman parte del monoblock. Este líquido caliente es
impulsado por la bomba de agua y enviado hacia el radiador pasando por el
termostato concluyendo así el ciclo.
Cuando el motor está por debajo de la temperatura de operación, el termostato
bloquea el flujo de agua hacia el radiador, circulando éste solamente por las
camisas de agua para elevar la temperatura de manera homogénea hasta un
nivel óptimo. En días fríos el termostato permite apenas la circulación de
refrigerante suficiente a través del radiador para eliminar el exceso de calor y
mantener una temperatura adecuada en el motor. En días calurosos es
probable que el termostato esté abierto por completo.
25
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR AIRE
Al sistema de enfriamiento por aire lo forman:
1. Ventilador (algunos mecánicos le llaman turbina)
2. Mangueras
3. Termostato
4. Poleas y bandas
5. Aletas en el cilindro
6. Bulbo de temperatura
7. Radiador de aceite
8. Tolva
CIRCUITO DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR AIRE EN EL MOTOR
Una banda acoplada a la polea del cigüeñal mueve la polea del ventilador, esto
provoca el movimiento del aire por la tolva hacia las aletas de los cilindros del
motor.
La cantidad de aire introducida se determina por la posición de las mamparas
controladas por el termostato, una vez que son enfriados los cilindros parte del
aire se hace pasar hacia un radiador el cual contiene el aceite lubricante para
bajar su temperatura.
El aire caliente es desechado del motor a través de unas rejillas y se vuelve a
introducir aire fresco para iniciar el ciclo.
En algunos vehículos este aire caliente se introduce a la cabina como parte del
sistema de calefacción y mejorar las condiciones de confort de la misma.
3. ANALISIS DE ECUACIONES Y VARIABLES
A continuación se muestra un análisis de las principales formulas que
caracterizan el comportamiento tanto de los motores de combustión interna
como los de combustión externa, además se detallan las variables presentes
en cada una de ellas, así como también se presenta un cuadro descriptivo de
las ecuaciones, sus variables y relaciones entre ellas, además de especificar
los diferentes casos en los cuales para cada uno, cada variable presentara
diferentes características.
26
RELACION DE COMPRESIÓN
La relación de compresión en un motor de combustión interna es el número
que permite medir la proporción en que se ha comprimido la mezcla de aire-
combustible dentro de la cámara de combustión de un cilindro.
Donde:
PRESION MEDIA EFECTIVA
Es la media de todas las presiones instantáneas que se producen en la fase de
combustión y expansión de los gases dentro del cilindro. La presión media está
en función del llenado del cilindro y del aprovechamiento del combustible que
se introduce al motor.
Donde:
POTENCIA IDEAL
Es el valor que se obtiene al considerar el número de ciclos de potencia por
unidad de tiempo, a partir de un ciclo ideal.
27
Donde:
POTENCIA INDICADA
Es la energía entregada por unidad de tiempo al pistón por el gas que se
expande en el interior del cilindro.
Donde:
Potencia indicada
POTENCIA AL FRENO
Es la potencia disponible en el eje de una maquina.
Donde:
28
EFICIENCIA IDEAL
Eficiencia en la cual se asume que no existen ningún tipo de pérdidas durante
el ciclo de trabajo de una maquina térmica.
Donde:
EFICIENCIA TERMICA INDICADA
Es la relación de la potencia obtenida al motor por medio de un indicador y la
energía calorífica que el motor absorbe.
Donde:
EFICIENCIA TERMICA AL FRENO
Es la energía real que puede ser aprovechada en un ciclo de trabajo
(incluyendo acá perdidas por fricción, perdidas mecánicas, etc.)
Donde:
29
Donde:
: Se refiere a la mezcla que puede ser:
1. Mezcla pobre
Una mezcla de combustible que tiene más aire del requerido (o tiene
bastante combustible) para una relación estequiométrica.
Mezcla de aire y combustible conseguida cuando se produce un exceso
de aire en relación a la mezcla estequiométrica. Una mezcla pobre
incrementa la temperatura de la cámara de combustión y facilita la
aparición de los óxidos de nitrógeno. Si la mezcla es muy pobre no llega
a inflamarse el combustible por la dificultad a crearse y propagarse un
frente de llama. La mezcla pobre se utiliza en las situaciones de
funcionamiento del motor que no precisan gran rendimiento. Con la
aparición del catalizador, los motores dejaron de emplear las mezclas
pobres, volviendo a ser utilizadas en los motores de inyección directa en
las situaciones de carga estratificada.
2. Mezcla estequiométrica
La combustión completa entre un combustible (gasolina o gasóleo) y un
comburente (aire) tiene que realizarse en unas proporciones adecuadas
para que se consiga aprovechar todo el rendimiento posible. El
combustible está formado por hidrocarburos que tienen que reaccionar
con el oxígeno del aire. La relación estequiométrica indica la proporción
en masa de combustible y comburente necesarios para lograr una
combustión completa. La mezcla estequiométrica de la combustión de la
gasolina es de 14,7 partes de aire (en masa) por cada parte de gasolina
(en masa). Es decir, para quemar completamente un gramo de gasolina
se necesitan 14,7 gramos de aire.
30
3. Mezcla rica
Una mezcla de combustible que tiene menos aire del requerido, o
demasiado combustible absorbido por el motor, para mantener una
relación estequiométrica.
EFICIENCIA VOLUMÉTRICA
Es la relación entre la potencia al freno y la potencia ideal, obtenida a partir de
un ciclo ideal.
Donde:
RENDIMIENTO MECANICO
Es la relación entre la potencia al freno y la potencia indicada. Esta es una
medida de la eficiencia de las partes móviles del motor.
Donde:
31
3.1 CUADRO DESCRIPTIVO DE LAS ECUACIONES, SUS VARIABLES Y
RELACIONES ENTRE ELLAS.
ECUACION VARIABLE INDEPENDIENTE
VARIABLE DEPENDIENTE
CONSTANTE
DESCRIPCION
CASO 1:
Considerando la
constante para un modelo de motor.
CASO 2:Tomando en
cuenta que la varia
dependiendo del modelo del motor.
CASO 1: La MEP
depende solamente del
que se tenga en ciclo considerando que
el es constante. Para un modelo de motor especifico.
, CASO 2: La MEP dependerá tanto
del como del
. Esto para cuando tenemos modelos diferentes de motores.
N CASO 1: La N
dependerá del trabajo que se de en el ciclo ya que lo demás es cte. Para un motor especifico.
, N CASO 2: Ahora
tanto la potencia como el trabajo dependerán de w, P y Z para diferentes modelos de motores.
32
CASO 1: LA
potencia indicada dependerá únicamente de la presión que se tenga en la combustión.
, , CASO 2: La
potencia que tengamos en un motor así como la velocidad de su eje dependerá del tipo de motor que tengamos. Es decir de P y de Z.
CASO 1: La
potencia al freno dependerá únicamente de las rpm ya que para este caso mantenemos τ cte.
CASO 2: Ahora la
potencia al freno dependerá tanto del torque como de las rpm. Estos varían según el tipo de motor que tengamos.
CASO: Considerando que la
dependera únicamente del calor que se absorba en el ciclo. Considerando que se tiene una Potencia ideal.
, CASO 1: Considerando que la
dependera tanto del calor así como de la potencia indicada en el motor. Esto es para diferentes modelos de motor que analicemos.
33
CASO 2: Ahora
considerando que la depende solo de la potencia indicada. Consideramos que el calor absorbido es constante para un modelo de motor específico.
CASO 1: Considerando que la
dependera tanto del calor así como de la potencia al freno en el motor. Esto es para diferentes modelos de motor que analicemos.
CASO 2: Ahora considerando que
la depende solo de la potencia al freno. Consideramos que el calor absorbido es constante para un modelo de motor específico.
CASO:
Considerando que la
dependera únicamente la potencia al freno. Considerando que se tiene una Potencia ideal.
CASO 1:
Considerando que la dependera únicamente de la potencia al freno. Considerando que la potencia indicada no varía.
34
CASO 2:
Considerando ahora que la dependera de la potencia indicada y la potencia al freno será cte.
CASO 1:
Considerando que la relación aire combustible y el flujo son constantes.
CASO 2:
Considerando que en este caso el flujo es variable al igual que el poder calorífico lo que implicaría variar el combustible.
CASO 3: Considerando que se mantendrán invariables el poder calorífico y el flujo, mientras tanto la relación a/comb. varía.
35
36
4. DEFINICION DE COMPRESORES
Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una
mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el
volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor.
Un compresor es una máquina capaz de elevar la presión del gas que maneja. En la industria la misión de los compresores es: Alimentar la red de aire comprimido para instrumentos Proveer de aire para combustión Recircular gas a un proceso o sistema Producir condiciones idóneas para que se produzca una reacción
química Producir y mantener niveles de presión adecuados por razones de
proceso de torres
Alimentar aire a presión para mantener algún elemento en circulación.
4.1 CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES
Al clasificarse según el indicio constructivo los compresores volumétricos se
subdividen en los de émbolo y de motor y los de paletas en centrífugos y
axiales. Es posible la división de los compresores en grupos de acuerdo con el
género de gas que se desplaza, del tipo de transmisión y de la destinación del
compresor:
Alternativos
Centrífugos
De tornillo
4.1.1 COMPRESORES ALTERNATIVOS
Los compresores alternativos (fig. 15) son máquinas de desplazamiento
positivo en las cuales sucesivas cantidades de gas quedan atrapadas dentro de
un espacio cerrado y, mediante un pistón, se eleva su presión hasta que se
llega a un valor de la misma que consigue abrir las válvulas de descarga.
El elemento básico de compresión de los compresores alternativos consiste en
un solo cilindro en el que una sola cara del pistón es la que actúa sobre el gas
(simple efecto).
37
Existen unidades en las que la compresión se lleva a cabo con las dos caras
del pistón (doble efecto), actuando de la misma forma que si tuviéramos dos
elementos básicos de simple efecto trabajando en paralelo dentro de una
misma carcasa.
El compresor de doble etapa, el aire se comprime en una primera fase, se
refrigera y se vuelve a comprimir en una segunda fase permitiendo un
elevadísimo rendimiento del grupo compresor. Es indicado para la industria en
general, destacando por su alto rendimiento en todos los trabajos que realiza.
Para evitar los inconvenientes de los compresores de una etapa, en este tipo
de compresores la compresión del aire se realiza en dos etapas por medio de
un solo pistón.
En el diagrama que presentamos a continuación podemos estudiar el
funcionamiento básico interno de este tipo de compresores. El ciclo de trabajo
del compresor se divide en 5 etapas que se describen a continuación:
A) Comienzo de la compresión. El cilindro se encuentra lleno de gas.
B) Etapa de compresión. El pistón actúa sobre la masa de gas reduciendo su
volumen original con un aumento paralelo de la presión del mismo. Las
válvulas del cilindro permanecen cerradas.
C) Etapa de expulsión. Justo antes de completar la carrera de compresión la
válvula de descarga se abre. El gas comprimido sale del cilindro, debido a su
propia presión, a través de la válvula de descarga. Antes de alcanzar el final de
carrera la válvula de descarga se cierra dejando el espacio libre del cilindro
lleno de gas a la presión de descarga.
D) Etapa de expansión. Durante esta etapa tanto la válvula de descarga como
la de entrada permanecen cerradas. El pistón comienza la carrera de retroceso,
el gas contenido dentro del cilindro sufre un aumento de volumen con lo que la
presión interior del sistema se reduce.
E) Etapa de admisión. El pistón durante esta etapa retrocede provocando una
depresión en la interior del cilindro que es compensada por la entrada de gas
fresco a través de la línea de admisión. Justo antes de llegar al punto inferior
de la carrera la válvula de admisión se cerrará, volviendo al estado A) con lo
que comienza un nuevo ciclo.
Este tipo de compresores usa válvulas de tipo automático accionadas por
resortes, que abren solamente cuando existe la suficiente presión diferencial
sobre la misma.
38
Las válvulas de admisión abren cuando la presión dentro del cilindro es
ligeramente inferior a la presión de entrada del gas. Las válvulas de escape
abren cuando la presión en el cilindro es ligeramente superior a la presión en la
línea de descarga.
Estos compresores deben trabajar a una presión comprendida entre 6 y 7 bar,
inferior a la presión máxima establecida del orden de (8 a 10) bar, que indica la
presión límite a la que puede trabajar, no siendo recomendable el que un
compresor trabaje constantemente a su presión máxima. La capacidad de
entrega puede llegar hasta los 1000 m3/h.
Fig. 15 Esquema y sistema básico de un compresor alternativo
4.1.2 COMPRESORES CENTRÍFUGOS
El principio de funcionamiento de un compresor centrífugo (fig. 16) es el mismo
que el de una bomba centrífuga, en la cual el líquido entra en la bomba cerca
del eje del motor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión.
39
Su diferencial principal es que el aire o el gas manejado en un compresor son
compresibles, mientras que los líquidos con los que trabaja una bomba, son
prácticamente incompresibles. Los compresores centrífugos pueden desarrollar
una presión en su interior, que depende de la naturaleza y las condiciones del
gas que manejan y es virtualmente independiente de la carga del
procesamiento. Las condiciones que es preciso tomar en cuenta son:
1. La presión barométrica más baja
2. La presión de admisión más baja
3. La temperatura máxima de admisión
4. La razón más alta de calores específicos
5. La menor densidad relativa
6. El volumen máximo de admisión
7. La presión máxima de descarga
La mayoría de los compresores centrífugos funcionan a velocidades de 3.500
rpm o superiores y uno de los factores limitantes es el de la fatiga del impulsor.
Los impulsores de los compresores centrífugos son por lo común motores
eléctricos o turbinas de vapor o gas, con o sin engranajes de aumento de
velocidad.
En un compresor, como en una bomba centrífuga, la carga es independiente
del fluido que se maneje.
Los compresores centrífugos constan esencialmente de: caja, volutas, rodetes
impulsores, un eje y un sistema de lubricación.
Las volutas convierten la energía cinética del gas desarrollada por los
impulsores en energía potencial o presión. La caja es la cubierta en que van
ajustadas las volutas y está proyectada para la presión a la que se ha de
comprimir el gas.
La caja se construye adaptándola a la aplicación particular y puede ser de
hierro colado, acero estructural o fundición de acero.
La compresión de un gas en un compresor centrífugo requiere con frecuencia
un medio de ocluir el gas para evitar su fuga a la atmósfera o su
contaminación.
Existen varios tipos de oclusores:
1. el de cierre mecánico con anillo de carbón
2. el gas inerte
3. el directo de aceite en el cojinete del compresor y los de gasto de aceite
40
Todos están diseñados principalmente como cierre de funcionamiento y no de
paro.
Los compresores centrífugos se utilizan para una gran variedad de servicios,
incluyendo
1. enfriamiento y desecación,
2. suministro de aire de combustión a hornos y calderas,
3. sopladores de altos hornos, cúpulas y convertidores,
4. transporte de materiales sólidos,
5. procesos de flotación,
6. por agitación y aireación, por ventilación,
7. como eliminadores y para comprimir gases o vapor
Fig. 16 Esquema básico de compresor centrífugo
Según el flujo interno de gas dentro del compresor clasificaremos los compresores en:
Compresores centrífugos: en ellos el flujo de gas es radial y la
transferencia de energía se debe predominantemente a un cambio en las fuerzas centrifugas actuantes sobre el gas (fig. 17).
41
Fig. 17 Esquema de compresor centrífugo multietapas.
Compresores axiales: En ellos el flujo de gas es paralelo al eje del
compresor (Fig. 18). En ellos el gas es comprimido en pasos sucesivos.
Cada paso está compuesto por una corona móvil solidaria al rotor y otra
fija perteneciente a la carcasa. La energía se transfiere al gas en forma
de momento cinético por la corona móvil, para pasar a continuación a la
fija donde transforma su velocidad en presión.
Fig. 18 Esquema básico de un compresor axial
4.1.3 COMPRESORES DE TORNILLO O HELICOIDALES
Este tipo de compresor consiste básicamente en dos rotores helicoidales
situados dentro de la carcasa de la bomba. Por su movimiento absorben gas
que posteriormente se comprime dentro de la cámara helicoidal formada entre
los rotores y la carcasa. Como se ve en la fig. 18, los rotores difieren en su
42
forma de manera que ajusten entre sí formando un cierre hermético por el cual
no pueda escapar el gas al ser comprimido.
Fig. 18 Compresor de tornillo o helicoidal
A continuación presentamos esquemáticamente (Fig. 19) cual es el flujo de gas
dentro del compresor:
Fig. 19 Esquema de funcionamiento de un compresor helicoidal
43
4.2 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS DISTINTOS TIPOS DE
COMPRESORES
Ventajas del compresor alternativo
Precio hasta un 50% más barato que su equivalente en compresores de
otro tipo.
Mantenimiento frecuente pero sencillo y conocido por prácticamente
todo el personal mecánico: El mantenimiento de un compresor
alternativo se realiza cada 10.000 horas aproximadamente y varía según
potencia y fabricante. Como norma, podemos decir que a menor
potencia menor mantenimiento.
Sigue siendo el compresor que más se emplea en la industria en
general.
Permite alcanzar valores altos de presión usando varias etapas.
Inconvenientes del compresor alternativo
Regulación de capacidad por etapas. Frecuentes mantenimientos.
Con el uso de varias etapas se vuelve necesario disponer de un mayor
espacio para albergar el compresor.
La presencia de un líquido dentro del cilindro es peligrosa para el
equipo, ya que al ser incompresible el cigüeñal de la máquina puede
resultar dañado al intentar hacerlo. Adicionalmente la lubricación de las
paredes del cilindro puede ser destruida por el líquido que pudiera entrar
en él.
Los compresores alternativos suministran un flujo pulsante de gas. En
algunas aplicaciones esto es contraproducente por lo que se dispone de
Este problema se soluciona disponiendo a la salida del compresor un
depósito antipulsante, en el que se atenúan las variaciones de presión
en el flujo.
Las vibraciones que produce este tipo de compresores deben tomarse
en cuenta a la hora de la instalación.
44
Ventajas del compresor centrífugo
Los compresores centrífugos son accionados directamente por una
máquina rápida como un motor eléctrico o una turbina de gas mientras
que en los otros se debe usarse una transmisión reductora.
Se pueden obtener grandes volúmenes de producción de aire
comprimido en un área de tamaño pequeño. Esto puede ser una ventaja
cuando el terreno es muy costoso.
La ausencia de piezas rodantes en la corriente de compresión permite
trabajar un largo tiempo entre intervalos de mantenimiento, siempre y
cuando los sistemas auxiliares de aceites lubricantes y aceites de sellos
estén correctos.
Su característica es un flujo suave y libre de pulsaciones.
Inconvenientes del compresor centrífugo
La presión generada por estos compresores no es muy alta.
Los compresores centrífugos son sensibles al peso molecular del gas
que se comprime. Los cambios imprevistos en el peso molecular pueden
hacer que las presiones de descarga sean muy altas o muy bajas.
Se necesitan velocidades muy altas en las puntas para producir la
presión. Con la tendencia a reducir el tamaño y a aumentar el flujo, hay
que tener mucho más cuidado al balancear los motores y con los
materiales empleados en componentes sometidos a grandes esfuerzos.
Se requiere un complicado sistema para aceite lubricante y aceite para
sellos.
45
Ventajas del compresor de tornillo
Necesita menos mantenimiento.
Posee menos partes móviles y por tanto susceptibles de problemas.
Inconvenientes del compresor alternativo
Precio elevado
Mano de obra especializada para llevar a cabo su mantenimiento
5. RECIPIENTES A PRESIÓN
5.1 GENERALIDADES
Si bien existen varias Normas que son de aplicación, elaboradas por países de
reconocida capacidad técnica en la materia, la Norma internacionalmente mas
reconocida y de uso mas común, es la Secc VIII Div.1 “Pressure Vessels” del
Código A.S.M.E. (American Society of Mechanical Engineers).
Esta Norma, cubre el diseño, la selección de materiales, la fabricación, la
inspección, las pruebas, los criterios de aprobación y la documentación
resultante de las distintas etapas a cumplir.
El Adquirente de un recipiente, debe informar al Fabricante sus requisitos
operativos (presión y temperatura) tipo y características de fluido, capacidad
volumétrica, forma de sustentación, limitaciones dimensionales del lugar de
emplazamiento y cualquier otra característica particular que deba ser
considerada. Si se cuenta con un anteproyecto previo, podrá incluir también la
especificación del material constructivo, tipo de cabezales, accesorios
operativos y de inspección, nivel del control de soldaduras, terminación
superficial, tolerancia por corrosión, etc.
El Fabricante, que es el único responsable del cumplimiento de todos los
requisitos establecidos por la Norma, previo a la presupuestación, deberá
verificar la viabilidad de todos los requerimientos solicitados, determinar el
procedimiento y forma de realizar las soldaduras, la inspección considerada
para las mismas, definir la tolerancia por corrosión aconsejable, calcular todos
los espesores requeridos por las partes a presión para las condiciones de
servicio y finalmente constatar la disponibilidad en el mercado de los materiales
que se prevé utilizar en la construcción.
46
El Fabricante siempre debe tratar de seleccionar materiales que puedan ser
calificables bajo Código A.S.M.E.; deberá además, detallar tipo y forma
constructiva de los cabezales, determinar el tratamiento térmico (en los casos
que corresponda), las características y dimensiones requeridas para los
accesorios soldados y toda otra información que pueda resultar necesaria para
una correcta definición y evaluación del suministro a realizar.
Cuando el Adquirente suministre la Ingeniería básica, especificando los
espesores requeridos, el Fabricante se limitará a verificar que los espesores de
cálculo, adicionada la tolerancia por corrosión, no superen los valores
solicitados, ya que ésta es una responsabilidad de la que nunca podrá ser
eximido, aunque los cálculos hayan sido entregados por el Adquirente.
Acordada la provisión del recipiente y previo a la iniciación de su construcción,
el Fabricante deberá presentar al Adquirente la documentación siguiente:
Planilla de datos básicos de diseño
Plano constructivo en formato IRAM
Memorias de cálculo de envolvente, cabezales y demás componentes
que en cada caso corresponda incluir.
Lista de materiales
Planilla de calificación del(los) procedimiento(s) de soldadura, avalados
por Inspector Nivelado
Certificado de calificación de habilidad de los Soldadores/Operadores
Programa de Fabricación y Plan de Inspecciones previsto para el control
de fabricación.
Certificado de Usina de las chapas ó en su defecto, de Laboratorio
reconocido que certifique por los análisis físicos y químico la calidad de
la chapa a utilizar.
Documentación requerida para que, junto con los respaldos del control
de fabricación, permita tramitar la aprobación del recipiente ante el Ente
Estatal que corresponda s/requerimientos.
5.1.1 CONCEPTOS BÁSICOS
AIRE
Se denomina aire a la mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre,
que permanecen alrededor de la Tierra por la acción de la fuerza de gravedad.
El aire es esencial para la vida en el planeta, es particularmente delicado y está
compuesto en proporciones ligeramente variables por sustancias tales como el
nitrógeno (78%), oxígeno (21%), vapor de agua (variable entre 0-7%), ozono,
47
dióxido de carbono, hidrógeno y algunos gases nobles como el criptón o el
argón, es decir, 1% de otras sustancias.
PROPIEDADES DEL AIRE
La atmósfera terrestre se divide en cuatro capas de acuerdo a la altitud,
temperatura y composición del aire: troposfera, estratosfera, mesosfera y
termósfera. La presión o peso del aire disminuye con la altitud.
Las capas más importantes para el análisis de la contaminación atmosférica
son las dos capas más cercanas a la Tierra: la troposfera y la estratosfera. El
aire de la troposfera es el que interviene en la respiración y está compuesto,
aproximadamente, por un 78,08% de nitrógeno (N2), un 20,94% de oxígeno
(O2), un 0,035% de dióxido de carbono (CO2) y un 0,93% de gases inertes
como el argón y el neón. En esta capa, de 7 km de altura en los polos y de 16
km en los trópicos, se encuentran las nubes y casi todo el vapor de agua. En
esta capa se producen todos los fenómenos atmosféricos que originan el clima.
Más arriba, aproximadamente a 25 kilómetros de altura, en la estratosfera, se
encuentra la importante capa de ozono que protege a la Tierra de los rayos
ultravioletas (UV).
COMPOSICIÓN DEL AIRE
Actualmente se conocen los componentes del aire con bastante exactitud.
Éstos pueden ser divididos en:
Componentes fundamentales: nitrógeno (78,1%), oxígeno (20,9%) y
vapor de agua (variable entre 0% y 7%).
Componentes secundarios: gases nobles y dióxido de carbono (1%).
Contaminantes: Monóxido de nitrógeno, metano, dióxido de nitrógeno,
amoníaco y monóxido de carbono.
Componentes universales: agua (en sus 3 estados) y polvo atmosférico
(humo, sal, arena fina, cenizas, esporas, polen, microorganismos, etc.).
Las proporciones de vapor de agua varían según el punto geográfico de la
Tierra.
Las proporciones de estos gases se pueden considerar exactas más o menos a
25 km de altura.
RECIPIENTE A PRESIÓN
Se considera como un recipiente a presión cualquier vasija cerrada que sea
capaz de almacenar un fluido a presión manométrica, ya sea presión interna o
vació, independientemente de su forma y dimensiones. La forma más
común de los recipientes a presión es la cilíndrica, por su más fácil
48
construcción y requerir menores espesores que otras formas geométricas
para resistir una misma presión, salvo la forma esférica, cuyo uso se
reduce a grandes esferas de almacenamiento, dada su mayor complejidad
en la construcción.
PRESIÓN DE OPERACIÓN (Po)
Es identificada como la presión de trabajo y es la presión manométrica a la cual
estará sometido un equipo en condiciones de operación normal.
PRESIÓN DE DISEÑO (P)
Es el valor que debe utilizarse en las ecuaciones para el cálculo de las
partes constitutivas de los recipientes sometidos a presión, dicho valor será el
siguiente:
Si Po > 300 lb/pulg2. Si Po ≤ 300 lb/pulg2.
P = 1.1. Po. P = Po + 30 lb/pulg2.
Donde P es la presión de diseño, y Po es la presión de operación.
PRESIÓN DE TRABAJO MÁXIMA PERMISIBLE
Es la presión máxima a la que se puede someter un recipiente, en
condiciones de operación, suponiendo que él está:
a) En condiciones después de haber sido corroído.
b) Bajo los efectos de la temperatura de diseño.
c) En la posición normal de operación.
d) Bajo los efectos de otras cargas, tales como fuerza debida al viento,
presión hidrostática, etc., cuyos efectos deben agregarse a los
ocasionadas por la presión interna.
Es una práctica común, seguida por los usuarios, diseñadores y fabricantes de
recipientes a presión, limitar la presión de trabajo máxima permisible por la
resistencia del cuerpo o las tapas, y no por elementos componentes pequeños
tales como bridas, boquillas, etc.
El término “Máxima presión de trabajo permisible nuevo y frío” es usado
frecuentemente. Esto significa: “La presión máxima permisible”, cuando se
encuentra en las siguientes condiciones:
a) El recipiente no está corroído (nuevo).
49
b) La temperatura no afecta a la resistencia a la tensión del material
(temperatura ambiente) (frío).
c) Tampoco se consideran los efectos producidos por la acción del viento,
presión hidrostática, etc.
El valor de la presión de trabajo máxima permisible, se obtiene despejando “p”
de las ecuaciones que determinan los espesores del cuerpo y las tapas, y
usando como “t” el espesor real del equipo y su valor será el que resulte
menor.
ESFUERZO DE DISEÑO A LA TENSIÓN (S)
Es el valor máximo al que podemos someter un material, que forma parte de un
recipiente a presión, en condiciones normales de operación. Su valor es
aproximadamente el 25% del esfuerzo último a la tensión del material en
cuestión.
5.2 TIPOS DE RECIPIENTES
Los diferentes tipos de recipientes a presión que existen, se pueden
clasificar de las siguientes maneras:
De almacenamiento
Por su uso
Recipientes De proceso
a presión. Horizontales
Cilíndricos
Por su forma Verticales
Esféricos
50
5.2.1. POR SU USO
Por su uso los podemos dividir en recipientes de almacenamiento y en
recipientes de proceso.
Los primeros nos sirven únicamente para almacenar fluidos a presión, y de
acuerdo con su servicio son conocidos como tanques de almacenamiento,
tanques de día, tanques acumuladores, etc.
Los recipientes a presión de proceso tienen múltiples y muy variados usos,
entre ellos podemos citar los cambiadores de calor, reactores, torres
fraccionadoras, torres de destilación, etc.
5.2.2. POR SU FORMA
Por su forma, los recipientes a presión, pueden ser cilíndricos o esféricos.
Los primeros pueden ser horizontales o verticales, y pueden tener, en algunos
casos, chaquetas para incrementar o decrecer la temperatura de los fluidos
según el caso.
Los recipientes esféricos se utilizan generalmente como tanques de
almacenamiento, y se recomiendan para almacenar grandes volúmenes a altas
presiones.
Puesto que la forma esférica es la forma “natural” que toman los cuerpos al ser
sometidos a presión interna, ésta sería la forma más económica para
almacenar fluidos a presión, sin embargo, la fabricación de este tipo de
recipientes es mucho más cara en comparación con los recipientes cilíndricos.
Los tipos más comunes de recipientes pueden ser clasificados de acuerdo a su
geometría como:
1 Recipientes Abiertos.
Tanques Abiertos.
2 Recipientes Cerrados.
Tanques cilíndricos verticales, fondo plano.
Recipientes cilíndricos horizontales y verticales con cabezas formadas.
Recipientes esféricos.
Indicaremos algunas de las generalidades en el uso de los tipos más
comunes de recipientes:
51
RECIPIENTES ABIERTOS: Los recipientes abiertos son comúnmente
utilizados como tanque igualador o de oscilación como tinas para dosificar
operaciones donde los materiales pueden ser decantados como:
desecadores, reactores químicos, depósitos, etc.
Obviamente este tipo de recipiente es más que el recipiente cerrado de una
misma capacidad y construcción. La decisión de que un recipiente abierto o
cerrado es usado dependerá del fluido a ser manejado y de la operación.
Estos recipientes son fabricados de acero, cartón, concreto…. Sin embargo
en los procesos industriales son construidos de acero por su bajo costo
inicial y fácil fabricación.
RECIPIENTES CERRADOS: Fluidos combustibles o tóxicos o gases finos
deben ser almacenados en recipientes cerrados. Sustancias químicas
peligrosas, tales como ácidos o sosa cáustica son menos peligrosas si son
almacenadas en recipientes cerrados.
TANQUES CILINDRICOS DE FONDO PLANO: El diseño en el tanque
cilíndrico vertical operando a la presión atmosférica, es el tanque cilíndrico
con un techo cónico y un fondo plano descansando directamente en una
cimentación compuesta de arena, grava o piedra triturada. En los casos
donde se desea usar una alimentación de gravedad, el tanque es levantado
arriba del terreno y el fondo plano debe ser incorporado por columnas y
vigas de acero.
RECIPIENTES CILINDRICOS HORIZONTALES Y VERTICALES CON
CABEZAS FORMADAS: Son usados cuando la presión de vapor del
líquido manejado puede determinar un diseño más resistente. Varios
códigos han sido desarrollados o por medio de los esfuerzos del API y el
ASME para gobernar el diseño de tales recipientes. Una gran variedad de
cabezas formadas son usadas para cerrar los extremos de los recipientes
cilíndricos. Las cabezas formadas incluyen la semiesférica, elíptica,
toriesférica, cabeza estándar común y toricoidal. Para propósitos
especiales de placas planas son usadas para cerrar un recipiente abierto.
Sin embargo las cabezas planas son raramente usadas en recipientes
grandes.
RECIPIENTES ESFERICOS: El almacenamiento de grandes volúmenes
bajo presiones materiales son normalmente de los recipientes esféricos.
Las capacidades y presiones utilizadas varían grandemente. Para los
recipientes mayores el rango de capacidad es de 1000 hasta 25000 Psi
(70.31 - 1757.75 Kg/cm²).
52
Y de 10 hasta 200 Psi (0.7031 - 14.06 Kg/cm²) para los recipientes
menores.
Cuando una masa dada de gas esta almacenada bajo la presión es obvio
que el volumen de almacenamiento requerido será inversamente
proporcional a la presión de almacenamiento.
En general cuando para una masa dada, el recipiente esférico es más
económico para grandes volúmenes y bajas presiones de operación.
A presiones altas de operación de almacenamiento, el volumen de gas es
reducido y por lo tanto en tipo de recipientes cilíndricos es más económico.
5.3 TIPOS DE TAPAS
Para “cerrar” recipientes cilíndricos, existen varios tipos de tapas, entre estas
tenemos las siguientes: Tapas planas, planas con ceja, únicamente
abombadas, abombadas con ceja invertida, toriesféricas, semielípticas,
semiesféricas, tapas 80-10, tapas cónicas, toricónicas, etc.
Las características principales y usos de estas tapas son:
TAPAS PLANAS
Las tapas planas (fig. 20) se utilizan para “cerrar” recipientes sujetos a
presión atmosférica generalmente, aunque en algunos casos se usan también
en recipientes sujetos a presión. Su costo entre las tapas es el más bajo, se
utilizan también como fondos de tanques de almacenamiento de grandes
dimensiones.
Fig. 20 Vista seccional de una tapa plana
TAPAS PLANAS CON CEJA
Al igual que las anteriores, las tapas plana con ceja (fig. 21) se utilizan
generalmente para presiones atmosféricas, su costo también es relativamente
bajo, y tienen un límite dimensional de 6 metros de diámetro máximo.
53
Fig. 21 Vista seccional de una tapa plana con ceja
TAPAS ÚNICAMENTE ABOMBADAS
Las tapas únicamente abombadas (fig. 22) son empleadas en recipientes a
presión manométrica relativamente baja, su costo puede considerarse bajo, sin
embargo, si se usan para soportar presiones relativamente altas, será
necesario analizar la concentración de esfuerzos generada al efectuar un
cambio brusco de dirección.
Fig. 22 Esquema de una tapa del tipo abombada
TAPAS ABOMBADAS CON CEJA INVERTIDA
Su uso es limitado debido a su difícil fabricación (fig. 23), por lo que su costo es
alto, siendo empleadas solamente en casos especiales.
Fig. 23 Vista esquemática de la complicada forma de la tapa abombada con ceja
invertida.
54
TAPAS TORIESFÉRICAS
Las tapas toriesféricas (fig. 24) son las que mayor aceptación tienen en la
industria, debido a su bajo costo ya que soportan altas presiones
manométricas, su característica principal es que el radio de abombado es
aproximadamente igual al diámetro. Se pueden fabricar en diámetros desde
0.3 hasta 6 metros.
Fig. 24 Ejemplo esquemático de una tapa toriesférica.
TAPAS SEMIELÍPTICAS
Son empleadas cuando el espesor calculado de una tapa toriesférica es
relativamente alto, ya que las tapas semielípticas (fig. 25) soportan mayores
presiones que las toriesféricas. El proceso de fabricación de estas tapas es el
troquelado, su silueta describe una elipse relación 2:1, su costo es alto.
Fig. 25 Vista de la sección de una tapa semielíptica
55
TAPAS SEMIESFÉRICAS
Utilizadas exclusivamente para soportar presiones críticas. Como su nombre lo
indica, en las tapas semiresféricas (fig. 26) su silueta describe una media
circunferencia perfecta, su costo es alto y no hay límite dimensional para su
fabricación.
Fig. 26 Ejemplo esquemático de tapa semiesférica
TAPAS 80:10
Ya que en algunos países no se cuenta con prensas lo suficientemente
grandes para troquelar tapas semielípticas 2:1 de dimensiones relativamente
grandes, se ha optado por fabricar este tipo de tapas, cuyas características
principales son: El radio de abombado es el 80% del diámetro; y el radio de
esquina o radio de nudillos es igual al 10% del diámetro. Estas tapas (Fig. 27)
las usamos como equivalentes a la semielíptica relación 2:1.
Fig. 27 Sección transversal de una tapa 80:10
TAPAS CÓNICAS
Las tapas cónicas (Fig. 28) se utilizan generalmente en fondos donde
pudiese haber acumulación de sólidos y como transiciones en cambios de
diámetro de recipientes cilíndricos. Su uso es muy común en torres
fraccionadoras o de destilación, no hay límite en cuanto a dimensiones para su
fabricación y su única limitación consiste en que el ángulo del vértice no deberá
ser mayor de 60º.
56
Las tapas cónicas con ángulo mayor de 60º en el vértice, deberán ser
calculadas como tapas planas. Deberá tenerse la precaución de reforzar las
uniones cono-cilindro de acuerdo al procedimiento.
Fig. 28 Vista seccional de las tapas cónicas
TAPAS TORICÓNICAS
A diferencia de las tapas cónicas, este tipo de tapas (Fig. 29) tienen en su
diámetro mayor un radio de transición que no deberá ser menor al 6% del
diámetro mayor ó 3 veces el espesor. Tienen las mismas restricciones que la
tapa cónica.
Fig. 29 Tapa del tipo toricónico
5.4 MATERIALES EN RECIPIENTES A PRESIÓN
En la etapa de diseño de recipientes a presión, la selección de los materiales
de construcción es de relevante importancia, para lo cual, necesitamos definir
una secuencia lógica en la selección de éstos. Cabe hacer la aclaración que
éste es un tema muy amplio y complejo, por lo cual, será difícil llegar a dar
recetas para la selección adecuada de los materiales a usar, en recipientes a
presión.
57
5.4.1 ESPECIFICACIONES DE LOS ACEROS.
Los aceros al carbón y de baja aleación son usualmente usados donde las
condiciones de servicio lo permitan por los bajos costos y la gran utilidad de
estos aceros.
Los recipientes a presión pueden ser fabricados de placas de acero conociendo
las especificaciones de SA-7, SA-113 C y SA-283 A, B, C, y D, con las
siguientes consideraciones:
1.- Los recipientes no contengan líquidos ó gases letales.
2.- La temperatura de operación está entre -20 y 650°F.
3.- El espesor de la placa no exceda de 5/8"
4.- El acero sea manufacturado por horno eléctrico u horno abierto.
5.- El material no sea usado para calderas.
Uno de los aceros más usados en los propósitos generales en la construcción
de recipientes a presión es el SA-283 C.
Estos aceros tienen una buena ductilidad, fusión de soldadura y fácilmente
maquinables. Este es también uno de los aceros más económicos apropiados
para recipientes a presión; sin embargo, su uso es limitado a recipientes con
espesores de placas que no excedan de 5/8" para recipientes con un gran
espesor de cascarón y presión de operación moderadas el acero SA-285 C es
muy usado.
En el caso de presiones altas o diámetros largos de recipientes, un acero de
alta resistencia puede ser usado como el acero SA-212 B es conveniente para
semejantes aplicaciones y requiere un espesor de cascarón de solamente de
790% que el requerido por el SA-285 C. Este acero es también fácilmente
fabricado pero es más caro que otros aceros.
El acero SA-283 no puede ser usado en aplicaciones con temperaturas sobre
650°F; el SA-285 no puede ser usado en aplicaciones con temperaturas que
excedan de 900°F, y el SA-212 tiene muchos esfuerzos permisibles bajos en
las temperaturas más altas, por lo que el acero para temperaturas entre 650 y
1000°F.
El acero SA-204, el cual contiene 0.4 a 0.6% de molibdeno es satisfactorio y
tiene buenas cualidades. Para temperaturas de servicio bajas (-50 a -150°F) un
acero niquelado tal como un SA-203 puede ser usado. Los esfuerzos
permisibles para estos aceros no están especificados por temperaturas bajas
de -20°F. Normalmente el fabricante hace pruebas de impacto para determinar
la aplicación del acero y fracturas a bajas temperaturas.
58
En la etapa de diseño de recipientes a presión, la selección de los materiales
de construcción es de relevante importancia, para lo cual necesitamos definir
una secuencia lógica para la selección de estos.
Así pues realizaremos un breve análisis de la filosofía a que sigue la ASME,
para seleccionar sus materiales y por consiguiente para especificarlos como
adecuados en la construcción de los recipientes a presión.
5.4.2 CLASES DE MATERIALES
El código ASME indica la forma de suministro de los materiales más utilizados,
lo cual va implícita en su especificación. A continuación se dan algunos
ejemplos de materiales, su especificación y forma de suministro.
PLACA
Especificación SA-515-70 SA-285-C SA-36
Composición Nominal C-Si C-Si C-Si
Esfuerzo de cedencia KPSI 38 30 36
Esfuerzo último en KPSI 70 55 58
Esfuerzo de diseño en KPSI 17.5 13.8 12.7
(de - 20 a 650 ºF)
FORJA (Bridas)
Especificación SA-105 SA-181 SA-266-II
Composición nominal C-Si C-Si C-Si
Esfuerzo de cedencia en KPSI 36 36 35
Esfuerzo último en KPSI 70 70 70
Esfuerzo de diseño en KPSI 17.5 17.5 17.5
(de - 20 a 650ºF)
TUBOS DE CÉDULA
Especificación SA-106-B SA-53 SA-333-1
Composición nominal C-Si C-Si C-Si
Esfuerzo de cedencia en KPSI 30 30 30
Esfuerzo último en PKSI 48 48 55
Esfuerzo de diseño en KPSI 15 15 13.7
(de - 20 a 650ºF)
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TUBOS DE CALIBRE
Especificación SA-179 SA-334-1 SA-556-C2
Composición nominal C-Si C-Si C-Mn
Esfuerzo de cedencia en KPSI 30 40
Esfuerzo último en KPSI 46 55 70
Esfuerzo de diseño en KPSI 11.7 13.7 17.5
Entre los materiales de más comúnmente usados en la fabricación de
recipientes a presión, está principalmente el acero al carbón y algunas
aleaciones especiales como aceros especiales austeníticos y ferríticos:
Titanio Incoloy
Zirconio Hastelloy
Hafnio Monel
Tántalo Inconel
Molibdeno Admiralty
Debido a la existencia de diferentes materiales disponibles en el mercado, en
ocasiones no resulta sencilla la tarea de seleccionar el material ya que deben
considerarse varios aspectos como costos, disponibilidad de material,
requerimientos de procesos y operación, facilidad de formato, etc.
Así pues es necesaria una explicación más amplia acerca del criterio de la
selección de los materiales que pueden aplicarse a los recipientes como:
ACEROS AL CARBON
Es el más disponible y económico de los aceros, recomendables para la
mayoría de los recipientes donde no existen altas presiones ni temperaturas.
ACEROS DE BAJA ALEACION
Como su nombre lo indica, estos aceros contienen bajos porcentajes de
elementos de aleación como níquel, cromo, etc. Y en general están fabricados
para cumplir condiciones de uso específico. Son un poco más costosos que
los aceros al carbón. Por otra parte no se considera que sean resistentes a la
corrosión, pero tienen mejor comportamiento en resistencia mecánica para
rangos más altos de temperaturas respecto a los aceros al carbón.
ACEROS DE ALTA ALEACION
Comúnmente llamados aceros inoxidables. Su costo en general es mayor que
para los dos anteriores. El contenido de elementos de aleación es mayor, lo
que ocasiona que tengan alta resistencia a la corrosión.
60
MATERIALES NO FERROSOS
El propósito de utilizar este tipo de materiales es con el fin de manejar
sustancias con alto poder corrosivo para facilitar la limpieza en recipientes que
procesan alimentos y proveen tenacidad en la entalla en servicios a baja
temperatura.
En la tabla 1 se puede observar los aceros recomendados para los rangos de
temperatura más usuales.
TABLA 1 ACEROS RECOMENDABLES PARA DIFERENTES
TEMPERATURAS
TEMPERATURA
EN °C
TEMPERATURA
EN °F
MATERIAL PARA
CASCARON
CABEZAS Y
PLANTILLAS DE
REFUERZO
-67 a -46.1 -90 a -51 SA-203 B* SA-203 A
-45.6 a -40.5 -50 a -41 SA-516-65 SA-203 B
-40 a 15.6 -40 a +60 SA-516-70+ SA-516-65
15.6 a 343 +60 a 650 SA-285-C SA-515-70
344 a 412.8 -651 a +775 SA-515-70
* Para espesores mayores de 51 mm llevarán relevado de esfuerzos.
+ Para temperaturas de -20°F llevará relevado de esfuerzos.
5.4.3 SOCIEDADES E INSTITUTOS QUE RIGEN LA SELECCIÓN
DE MATERIALES Y FABRICACION DE RECIPIENTES A PRESION
A.W.S. (American Welding Society)
Proporciona la información fundamental de soldadura, diseño de soldadura,
calificación, pruebas e inspección de soldaduras, así como una Guía de la
aplicación y uso de la soldadura.
A.I.S.C. (American Institute of Steel Construction)
Fundado en 1921, su primer manual surgió en 1926, proporciona una Guía y
código para maximizar la eficiencia del diseño de acero estructural y seguridad.
El código A.I.S.C. contiene ecuaciones de diseño, criterios de diseño y diseños
prácticos para acero estructural. Su uso es recomendado para el diseño de
61
edificios, puentes o cualquier estructura de acero, incluyendo aquellas que
sirvan como soportes rígidos de tubería.
A.N.S.I. (American National Standars Institute)
Inicialmente establecida en 1918 como A.S.A. (American Standars Association)
cambio su nombre en 1967 a U.S.A.S.I. (U.S.A. Standars Institute) y en 1969
cambio a A.N.S.I.
No todos los estándares de U.S. son directamente resueltos por A.N.S.I. El
A.S.M.E., A.W.S., y numerosas organizaciones definen los estándares y
códigos aplicables a la tubería.
A.N.S.I. clasifica la aplicación del sistema de tuberías, bridas, pernos, roscas,
válvulas.
A.S.T.M. (American Society for Testing and Materials)
Fue fundada en 1898 para desarrollar los estándares de la característica y
eficiencia de los materiales, productos, suministros de servicios y producir lo
relativo a su comportamiento.
El Código A.S.M.E., ha tenido que mantenerse al día, dentro del cambiante
mundo de la tecnología.
Este grupo celebra seis reuniones anuales para adaptar el Código. Las
ediciones del Código se hacen cada tres años, la más reciente fue en 1998,
conste de once secciones en catorce tomos y son:
Sección I Calderas de Potencia
(Power Boilers)
Sección II Especificaciones de Materiales
(Material Specifications)
Parte A: Especificaciones de Materiales ferrosos
(Ferrous Materials)
Parte B: Especificaciones de Materiales no ferrosos.
(Non Ferrous Material)
Parte C: Especificaciones de materiales de
soldadura. (Welding Materials)
62
Sección III Plantas de Potencia Nuclear
División 1 y División 2
Componentes: Requerimientos Generales
(Nuclear Power Plants)
División 1 & División 2
(Components: General Requeriments
Sección IV Calderas para Calefacción
(Heatig Boilers)
Sección V Pruebas no Destructivas
(Non Destructive Examinations)
Sección VI Reglas Recomendadas para el Cuidado y
Operación de Calderas para Calefacción
(Recommended Rules for Care and Operation of
Heating Boilers)
Sección VII Reglas Sugeridas para el Cuidado de Calderas de
Potencia
(Recommended Rules for Care of power Boilers)
Sección VIII División 1: Recipientes a Presión
(Pressure Vessels)
División 2: Reglas para Diferentes Alternativas
Para Recipientes a Presión.
63
(Alternative Rules for Pressure Vessels)
Sección IX Requisitos de Soldadura
(Welding Qualifications)
Sección X Recipientes a Presión de Plástico Reforzado y
fibra de vidrio.
(Fiber Glass Reinforced Plastic Pressure Vessel)
Sección XI Reglas para Inspección en Servicio de Plantas de
Potencia Nuclear.
(Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power
Plants)
Una vez teniendo una idea de lo que es y cómo está formado el Código
A.S.M.E., nos enfocaremos a la Sección VIII, ya que es la relacionada con
Recipientes a Presión.
La Sección VIII del Código A.S.M.E., contiene dos Divisiones, la División 1, que
cubre el diseño de los recipientes a presión no sujetos a fuego directo y la
División 2, que contiene otras alternativas para el cálculo de recipientes a
presión.
CODIGO ASME SECCION VIII DIVISION 1
En esta parte del código se establecen los requerimientos mínimos para el
diseño, fabricación e inspección y para obtener la certificación autorizada de la
ASME para los recipientes a presión.
En base a esto se ha dividido en:
Subsección A. Parte UG que cubre los requerimientos generales.
Subsección B. Requerimientos de fabricación
Parte UW.- Para recipientes que serán fabricados por soldadura.
Parte UF.- Para recipientes que serán fabricados por forjado
64
Parte UB.- Para recipientes que serán fabricados utilizando un material
de relleno no ferroso a este proceso se le denomina "brazing"
Subsección C. Requerimientos de materiales
Parte UCS.- Para recipientes construidos con acero al carbón y de baja
aleación.
Parte UNF.- Para los construidos con materiales no ferrosos.
Parte UCI.- Para los construidos con fierro fundido.
Parte UCL.- Para los construidos con una placa "clad" integral o con
recubrimiento tipo "lining".
Parte UCD.- Para los construidos con fierro fundido dúctil.
Parte UNT.- Para los construidos con aceros ferriticos con propiedades
de tensión mejoradas por tratamiento térmico.
Parte ULW.- Para los fabricados por el método de multicanas.
Parte ULT.- Para los construidos con materiales con esfuerzos
permisibles más altos a bajas temperaturas.
LIMITACIONES DE LA SECCION VIII, DIVISION 1
El Código A.S.M.E., Sección VIII División 1, especifica claramente algunas
limitaciones, entre las principales tenemos:
Espesor mínimo.- Se establece que para recipientes construidos en
acero al carbón, el espesor mínimo será de 3/32” (2.38 mm.).
independientemente de su uso, ya que para algunos usos particulares,
se especifican espesores mínimos diferentes.
Los recipientes diseñados y construidos bajo este Código, no deberán
tener elementos principales móviles, ya sean rotatorios o reciprocantes,
razón por la cual se excluyen del alcance del mismo las bombas,
compresores, turbinas y cualquier equipo que tenga elementos
principales móviles.
El volumen mínimo que deberán tener los recipientes a presión
diseñados y construidos bajo este Código, deberá ser de 120 galones.
La presión mínima a que deberán diseñarse los recipientes será de 15
PSIG (1 atmósfera).
El diámetro interior mínimo será de 6”.
La presión máxima de diseño será de 3,000 PSIG.
65
Deberán ser estacionarios.
Calentadores tubulares sujetos a fuego.
Recipientes a presión que son parte integral de componentes de
sistemas de tubería
Tanques que suministran agua caliente bajo las siguientes
características:
Suministro de calor no mayor de 58,600 W (200,000 Btu/h)
Temperatura del agua de 99° c (210°f)
Capacidad de 454.3 lt (120 galones)
5.4.4 PROPIEDADES QUE DEBEN TENER Y REQUISITOS QUE
DEBEN LLENAR LOS MATERIALES PARA SATISFACER LAS
CONDICIONES DE SERVICIO
a) PROPIEDADES MECÁNICAS.
Al considerar las propiedades mecánicas del material, es deseable que
tenga buena resistencia a la tensión, alto punto de cedencia, por ciento de
alargamiento alto y mínima reducción de área, con estas propiedades
principalmente, se establecen los esfuerzos de diseño para el material en
cuestión.
b) PROPIEDADES FÍSICAS.
En este tipo de propiedades, se buscará que el material deseado tenga
bajo coeficiente de dilatación térmica.
c) PROPIEDADES QUÍMICAS.
La principal propiedad química que debemos considerar en el material
que utilizaremos en la fabricación de recipientes a presión, es su resistencia a
la corrosión. Este factor es de muchísima importancia, ya que un material mal
seleccionado nos causará múltiples problemas, las consecuencias que se
derivan de ello son:
I.- Reposición del equipo corroído.
Un material que no sea resistente al ataque corrosivo, puede corrroerse
en poco tiempo de servicio.
66
II.- Sobre diseño en las dimensiones.
Para materiales poco resistentes a la corrosión, es necesario dejar un
excedente en los espesores, dejando margen para la corrosión, esto trae como
consecuencia que los equipos resulten más pesados, encarecen el diseño y
además de no ser siempre la mejor solución. ´
III.- Mantenimiento preventivo.
Para proteger a los equipos del medio ambiente corrosivo es necesario
usar pinturas protectoras.
IV.- Paros debidos a la corrosión de los equipos.
Un recipiente a presión que ha sido atacado por la corrosión,
necesariamente debe ser retirado de operación, lo cual implica pérdidas en la
producción.
V.- Contaminación o pérdida del producto.
Cuando en los componentes de los recipientes a presión se han llegado a
producir perforaciones en las paredes metálicas, los productos de la corrosión
contaminan el producto, lo cual en algunos casos es costosísimo.
VI.- Daños a equipos adyacentes.
La destrucción de un recipiente a presión por corrosión, puede dañar los
equipos con los que esté colaborando en el proceso.
VII.- Consecuencias de tipo social.
La falla repentina de un recipiente a presión corroído, puede ocasionar
desgracias personales, además de que los productos de la corrosión, pueden
ser nocivos para la salud.
d) SOLDABILIDAD.
Los materiales usados para fabricar recipientes a presión, deben tener
buenas propiedades de soldabilidad, dado que la mayoría de sus
componentes son de construcción soldada. Para el caso en que se tengan
que soldar materiales diferentes entre sí, éstos deberán ser compatibles en lo
que a soldabilidad se refiere. Un material, cuantos más elementos de aleación
contenga, mayores precauciones deberán tomarse durante los procedimientos
de soldadura, de tal manera que se conserven las características que
proporcionan los elementos de aleación.
67
5.5 CARGAS Y ECUACIONES DE LOS RECIPIENTES A PRESIÓN
A continuación se muestran las cargas a las que se pueden ver sometidos los
recipientes a presión, así como también las principales ecuaciones que
intervienen en su diseño dependiendo del tipo y forma del mismo.
5.5.1 TIPOS DE CARGAS
CATEGORIA DE CARGAS
1.- CARGAS GENERALES.
Carga Por Compresión:
Presión interna, presión externa, presión de vació, presión de
prueba, presión hidrostática, presión de diseño y presión de
operación.
Cargas por momento:
Sismo, montaje, transporte, etc.
Cargas de tensión:
Compresión, peso propio, equipo instalado, plataforma, tubería,
escalera.
Cargas térmicas:
Viento, sismo, etc.
2.- CARGAS LOGICAS.
Radial
De corte
De tensión
Tangencial
De momento
Térmicas
3.- CARGAS ESTABLES.
Por presión
Por peso propio
Por contenido
Por tubería y equipo
Por soporte
Térmicas
68
Por viento
4.- CARGAS INESTABLES.
Por prueba hidrostática
Por sismo
Montaje
Por transportación
Térmica
Arranque y paro
DISCONTINUIDAD
DILATACION
CRECIMIENTO RADIAL
ANÁLISIS DE DISCONTINUIDAD
5.5.2 DISCONTINUIDAD
Discontinuidad de esfuerzos en recipientes.
Las deformaciones diferenciales ocasionadas por los esfuerzos de membrana,
de magnitud variable, a través del recipiente, puede también ocasionar flexión
en la pared y aún cuando estos esfuerzos flexionantes son locales pueden ser
elevados en magnitud.
En la unión cabeza - envolvente, se presente esta discontinuidad debido a que
el crecimiento radial en la parte cilíndrica del recipiente no es la misma que en
la cabeza cuando el recipiente está presurizado. Esta es la razón por la cual las
tapas o cabezas se suministran con una ceja (Sf).
La tendencia de la cabeza elíptica a deformarse hacia adentro en la unión bajo
presión, da como resultado una fuerza de corte radial hacia el interior del
cuerpo, esta fuerza se opone a la presión interna que actúa en dirección
opuesta a la envolvente en la unión.
Para reducir los esfuerzos locales, se pueden tomar en cuenta las siguientes
consideraciones:
1. Incrementar el tamaño de la ceja
2. Cambiar de forma los esfuerzos
3. Incrementar el espesor localmente de la envolvente
4. Adicionar anillos de refuerzo en forma parcial
69
DEFORMACION EN LA PARTE CILINDRICA
Dicha deformación viene dada por la ecuación:
Donde:
c = Dilatación del cuerpo (pulg)
P = Presión de diseño(psi)
Ri = Radio interior del cuerpo(pulg)
E = Modulo de elasticidad del material del cuerpo(psi)
T = Espesor del cuerpo(pulg)
= Modulo de poisson (acero)
Los anteriores parámetros fungen como datos de diseño.
DILATACIÓN QUE SUFREN LAS TAPAS
Está dada por:
Donde:
e = Dilatación de la tapa (pulg)
P = Presión de diseño(psi)
Ri = Radio interior de la tapa(pulg)
E = Modulo de elasticidad del material
a = Eje mayor de la tapa
b = Eje menor de la tapa
= Modulo de poisson
70
5.5.3 ECUACIONES UTILIZADAS EN LOS RECIPIENTES A
PRESIÓN
CÁLCULO DE TAPAS
A continuación se muestran las ecuaciones usadas para calcular los espesores
de los tipos de tapas utilizadas con mayor frecuencia.
TAPAS PLANAS
(1)
(2)
Las ecuaciones anteriores serán usadas con las siguientes restricciones:
1.- La tapa deberá ser ciega, es decir, no deberá tener aberturas ni
boquillas.
2.- Deberá ser circular.
3.- Deberá ser fabricada con alguno de los materiales ferrosos listados en
las normas ANSI B-16.5.
4.- Deberá estar entre los rangos de presión y temperatura mostrados en
la tabla B-16.5 de las normas ANSI.
5.- El espesor obtenido, de la ecuación correspondiente, deberá
considerarse como mínimo y deberá agregarse la tolerancia por
corrosión si existiera.
6.- La ecuación (2) se usará para calcular bridas ciegas atornilladas, de
acuerdo con los detalles “E” y “F” de la figura No. 4, y se deberán considerar
independientemente las condiciones de operación y las condiciones de sello de
empaque, usando la mayor de ellas.
Para las condiciones de operación, el valor de “P” será dado por la presión de
diseño, el valor de “S” se tomará a la temperatura de diseño y el valor de “W”
será el que resulte mayor de:
ó
Para las condiciones de sello del empaque, se tomará P = 0, el valor de “S” a la
temperatura ambiente y “W será:
71
Donde:
Ab = Área transversal neta de los tornillos en Pulg.2 (mm2.).
Am = Área transversal requerida de los tornillos tomada como la que
resulte mayor de Am1 y Am2 en Pulg.2 (mm2.).
Am1 = Área transversal neta requerida de los tornillos en condiciones de
operaciones en Pulg.2 (mm2.) = Wm1 / Sb
Am2 = Área neta de los tornillos = Wm2 / Sa
b = Ancho efectivo de contacto del empaque. (ver figura No. 5)
bo = Ancho básico del empaque. (ver figura No. 5)
C’ = Constante adimensional que depende de la forma de unión entre la
tapa y el cilindro. (ver figura No. 4)
d = Diámetro medido como se indica en la figura No. 4
E = Eficiencia de soldaduras. (ver figura No. 1)
G = Diámetro donde se localiza la reacción del empaque en pulgadas
(mm.). (ver figura No. 5)
hg = Brazo de palanca, distancia radial de la línea de centros de barrenos
a la línea de reacción del empaque, en pulgadas (mm.).
m = Relación tr/ts adimensional.
P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa).
S = Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa a tensión y a la
temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (KPa).
tr = Espesor requerido en el cuerpo.
ts = Espesor real del cuerpo.
Sa = Esfuerzo máximo permisible del material de los tornillos, a
temperatura ambiente en lb/pulg.2 (MPa).
Sb = Esfuerzo máximo permisible del material de los tornillos, a la
72
temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Mpa).
t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin considerar corrosión, en
pulgadas (mm.).
W = Carga total de los tornillos, en libras. (N).
y = Carga máxima permisible en el empaque o en la superficie de sello,
en lb/pulg.2 (Mpa), su valor depende de la forma y material del
empaque. (ver figura No. 6)
TAPAS TORIESFÉRICAS
Donde:
P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa)
L = Radio de abombado en pulgadas. (mm.).
M = Factor adimensional que depende de la relación L/r. (ver tabla)
r = Radio de esquina o radio de nudillos, en pulgadas. (mm.).
S = Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa a tensión y a la
temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa).
t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas.(mm).
E = Eficiencia de las soldaduras.
Tabla de valores del factor a dimensional M:
Tabla 2 VALORES DEL FACTOR “M”
L/r 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75
M 1.00 1.03 1.06 1.08 1.10 1.13 1.15 1.17
L/r 3.00 3.25 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00
M 1.18 1.20 1.22 1.25 1.28 1.31 1.34 1.36
L/r 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.0
73
M 1.39 1.41 1.44 1.46 1.48 1.50 1.52 1.54
L/r 10.5 11.0 11.5 12.0 13.0 14.0 15.00 16.0
M 1.56 1.58 1.60 1.62 1.65 1.69 1.72 1.75
TAPAS SEMIELÍPTICAS 2:1
Donde:
D = Diámetro interior de la tapa, en pulgadas. (mm.).
E = Eficiencia de las uniones soldadas. (ver figura No. 1)
P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (kpa)
S = Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa, a tensión y a la
temperatura de diseño en lb/pulg.2 (KPa).
t = Espesor mínimo requerido en la tapa sin corrosión, en pulgadas.(mm)
TAPAS SEMIESFÉRICAS
Donde:
E = Eficiencia de soldaduras.(ver figura No. 1)
P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa).
R = Radio interior de la tapa semiesférica, en pulgadas. (mm.).
S = Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la
temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa).
74
T = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas.
(mm.).
TAPAS 80:10
Donde:
E = Eficiencia de las soldaduras.
L = Diámetro interior de la tapa (0.8) en pulgadas. (mm.).
P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa).
S = Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la
temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa).
t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas. (mm.).
TAPAS CÓNICAS
Donde:
D = Diámetro interior mayor, del cono, en pulgadas (mm.).
E = Eficiencia de las soldaduras.(ver figura No.1)
P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa).
S = Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la
temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (KPa).
t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas.(mm.)
75
TAPAS TORICÓNICAS
Se aplica la misma ecuación que para las tapas cónicas, y el espesor de la
zona toroidal será determinado por la siguiente ecuación:
Donde:
D1 = Diámetro interior medido perpendicularmente al eje de la tapa y a la
altura donde termina la parte cónica y se inicia el radio de nudillos o radio de
esquina.
76
77
6. ELABORACION DE PROPUESTAS
6.1 PROPUESTA 1
“MODIFICACIÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA QUE
FUNCIONA ÚNICAMENTE CON AIRE QUE ES INYECTADO A TRAVÉS DEL
ORIFCIO DE LA BUJÍA”.
6.1.1 ANÁLISIS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
Para hacer el análisis de pérdidas mecánicas debe considerarse el esquema
de ambas propuestas, el cual se muestra en la figura 30:
Fig. 30 Esquema básico del sistema de alimentación de aire comprimido
6.1.2 PROCEDIMIENTO
Considerando el giro y la disposición del cigüeñal como se muestra en la fig.
31:
Fig. 31 Vista general del sistema cigüeñal-pistón y su respectivo giro
78
Se tienen que tomar en cuenta la velocidad de rotación del eje.
Las dimensiones tanto del pistón como lo son el diámetro del mismo y las
dimensiones del cigüeñal que de igual forma interesa el diámetro.
Para poder determinar la velocidad máxima (Vmax) a la que se moverá el
pistón, se debe encontrar la velocidad a la que el mismo se desplaza cuando
se encuentra en el punto medio de la carrera ya que tanto en el Punto Muerto
Superior (PMS) como en el Punto Muerto Inferior (PMI) la velocidad será igual
a cero.
Con las ecuaciones:
Donde:
v = Es la velocidad máxima a la que se desplaza el pistón.
w = Es la velocidad de giro del cigüeñal expresada en rpm
r = Es el radio del cigüeñal o brazo donde se apoya la biela del pistón.
Conociendo la velocidad máxima se puede conocer el caudal que ingresa en la
cámara y que permite dicho movimiento.
Donde:
Q = Flujo volumétrico o caudal
v = Es la velocidad máxima a la que se desplaza el pistón.
A = Área de la cabeza del pistón que es igual a:
Con este valor de caudal se pueden calcular entonces las características de la
tubería a partir de las tablas correspondientes:
Para ello pueden utilizarse los nomogramas de neumática que pueden verse en
anexos con las referencias siguientes:
Selección de tuberías
Longitudes supletorias o longitudes equivalentes de accesorios
79
Tabla de Longitudes supletorias o longitudes equivalentes de accesorios.
Las longitudes de la tubería dependerán tanto de la selección que se haga a
partir de las tablas como de la disposición que se haga en la instalación in situ,
ya que las características individuales de cada instalación serán determinantes.
Ahora a partir de la ecuación de estado y el caudal se puede obtener el flujo
másico que se tendrá ya que con la ecuación de estado se puede obtener la
densidad con los datos previamente establecidos en el análisis termodinámico.
Con esto pueden obtenerse las variaciones de densidad que permiten calcular
las pérdidas entre los diferentes puntos que componen el sistema con la
ecuación de Energía de flujo.
6.1.3 EJEMPLO DE CÁLCULOS
Con los datos de velocidad de giro y radio del cigüeñal del motor y la ecuación:
Tendremos: la velocidad lineal del pistón, misma que servirá en la ecuación:
Para obtener el caudal junto con el área que se conocerá previamente (se
aclara que el llenado del pistón no es flujo másico permanente) y así con las
tablas de selección de tubería y longitudes equivalentes se tienen los datos de:
Diámetro de tuberías
Longitud de tuberías conocido
Longitudes equivalentes para los accesorios que se utilizan y que se
representan en los respectivos esquemas.
Posteriormente considerando al aire como un gas ideal y con la ecuación de
estado para gases ideales:
Donde:
P = Presión a la que se encuentra el gas en el punto de análisis
v = Volumen especifico
m = Masa del gas
R = Constante del aire que es igual a 0.287 kJ/kg
T = Temperatura a la que se encuentra el gas en el punto de análisis.
Expresándola de la siguiente forma:
80
Donde:
ρ = Es la densidad que presenta el gas para esas condiciones
Se encuentra la densidad para las condiciones entre los puntos de análisis, los
valores de P, R y T serán conocidos a partir del análisis termodinámico
realizado previamente.
Con las condiciones definidas para cada punto y haciendo las consideraciones
de la ecuación de energía de flujo que:
Entre 2 puntos cualesquiera 1 y 2 hay:
Ordenando:
Así:
Donde:
E1 = Energía en el punto 1
Eagregada = Energía que se agrega para poder llegar al punto 2
E2 = Energía en el punto 2
Eperdida = Energía que se pierde por fricción y/o perdidas mecánicas
Hs = Presión estática del fluido presión en reposo
v = velocidad en el punto 1
g = gravedad
He = Elevación
Hp = Presión agregada por la bomba, ventilador o compresor.
81
Hf = Perdidas de presión en la tubería por fricción.
Además es de tomar en cuenta los siguientes aspectos:
La elevación puede considerarse mínima
No hay presión agregada ya que como es un proceso de descarga no se
utiliza el compresor para impulsar el aire sino solo para llenar el tanque.
Se consideran estáticas ambas presiones tanto en el tanque como en la
salida
Y es de esta manera como se puede calcular las perdidas mecánicas en el
sistema.
Este método de análisis es válido tanto para la propuesta 1 como para la
propuesta 2, es importante hacer ver que para la propuesta 2 solo deberá
considerase además la pre cámara de inyección de aire y las tres tuberías ya
que para la propuesta 1 solo se cuenta con un cilindro mientras que para la
propuesta 2 se tendrán 3.
6.1.4 DESCRIPCIÓN Y ANALISIS TERMODINÁMICO DE LA
PROPUESTA 1
Modificación de un motor de combustión interna mono cilíndrico de cuatro
tiempos a un motor de combustión interna que trabaje únicamente con
inyección de aire.
Modificaciones
Sustitución de la bujía por una entrada de aire o alimentación de aire.
Descripción del funcionamiento
Procedimiento: El funcionamiento del sistema para tener una mejor
comprensión se divide en 5 etapas y a continuación se describe cada una de
ellas.
Etapa A: Alimentación
Etapa B: Apertura y cierre
Etapa C: Regulación 1
Etapa D: Regulación 2
Etapa E: Inyección
82
Etapa A: Alimentación
La etapa de alimentación es la que provee el aire a la presión requerida para
llevar a cabo el funcionamiento en todo el sistema. La admisión de aire hacia el
sistema se da gracias al compresor ubicado en la estación fija. El compresor a
utilizar deberá tener una capacidad de presión alta; al garantizar un valor de
presión tan alto debido a las pedidas que se tengan en el sistema, se tratará la
manera de lograr la presión requerida en la etapa final de inyección.
Etapa B: Apertura y cierra
Esta etapa únicamente se dará el paso de aire hacia el sistema mediante una
válvula de paso. Esta se abrirá completamente cuando se haga trabajar al
sistema y se cerrara por completo ya sea para desacoplar el equipo o eliminar
el paso de aire en este.
Etapa C: Regulación 1
Para dicha etapa contaremos en esta con una electroválvula, la cual se
encargara de mantener el sistema a la presión requerida.
Etapa D: Regulación 2
Acá se produce el efecto “acelerador”, siendo este necesario para controlar la
velocidad del motor. En esta fase se regulara el caudal y la presión del aire
según las exigencias que el usuario requiera para el motor.
Etapa E: Inyección
La inyección se hará en el orificio diseñado para acoplar la bujía en el motor. El
aire inyectado hacia la cámara de combustión vendrá suministrado desde el
sistema de alimentación. La carrera del cilindro se encontrara regulada de tal
forma que la admisión del aire y la salida de este de la cámara sean en el
momento requerido. El valor de presión utilizado para esta etapa para lograr el
desplazamiento del cilindro es bajo comparado con la presión que se tenga en
el alimentador.
El flujo de aire se inyecta al inicio de la carrera de potencia, es decir con el
pistón en el punto muerto superior (PMS) y la inyección finaliza cuando el
83
pistón llega al final de la carrera de potencia o sea en el punto muerto inferior
(PMI), o mejor dicho a 180º después del inicio. Como en todo motor normal, 10º
ó 15º antes de llegar el pistón a punto muerto inferior se abre la válvula de
escape e inicia la carrera de escape, para evacuar el aire usado.
Análisis termodinámico
Para llevar a cabo el análisis termodinámico en el sistema se partió para la
etapa de alimentación de los valores de presión y temperatura ambiente. Es
decir 101.325 Kpa y 300 K respectivamente.
Para realizar el análisis se inicia considerando un proceso isentrópico. Siendo
entonces necesario utilizar relaciones de presión, presiones relativas y las
tablas de aire.
La ecuación utilizada en esta parte fue:
Obteniendo así con la ecuación utilizada el valor de temperatura ; el cual nos
servirá como parámetro de inicio junto a otras variables y datos conocidos para
la siguiente etapa (apertura y cierre).
Utilizando la ecuación de estado del gas ideal el valor de
temperatura encontrado, la presión requerida en el sistema, el volumen
requerido en el cilindro y la constante universal de los gases se obtendrá la
masa m de aire contenida en el cilindro.
Realizando un procedimiento similar para los tramos siguientes en el sistema,
es decir; encontrando valores de energía interna U, entalpia h, temperatura T,
presión P y presiones relativas Pr para esta etapa.
Basándonos en los datos obtenidos, en la etapa anterior se procede a calcular
el valor de la disponibilidad a la entrada y a la salida de cada accesorio así
como la eficiencia de cada uno de estos.
El valor de disponibilidad a la entrada y a la salida en cada accesorio se
calculara con:
84
Siendo:
el valor de temperatura ambiente al que se encuentra expuesto cada
accesorio
y los valores obtenidos a partir de
h y s los valores de entalpia y entropía encontrados a partir de los datos
obtenidos en el análisis
Finalmente el valor de eficiencia de cada accesorio se encuentra como:
Con los cálculos que se obtengan, se podrá hacer una buena aproximación en
la selección de componentes y determinar otras características de importancia
para el sistema.
6.1.5 DETALLE DEL SISTEMA PROPUESTO
Para este caso en donde se tiene que introducir el aire a presión a través del
lugar en donde iba instalada la bujía. Para esto es necesario sellar el lugar
donde se sitúa la válvula de admisión; se necesita disponer de una unidad de
control que tome parámetros de señales del sensor de posición y del
temporizador.
El sensor de posición indicará en qué el pistón se encuentra en la posición
correcta para empezar la carrera de trabajo (es decir el PMS), mientras que el
temporizador servirá para saber cuál es el momento adecuado para realizar la
inyección del aire.
La unidad de control procesa las señales y envía una orden para activar la
electroválvula.
Cabe aclarar que este control se adecúa perfectamente a un motor
monocilíndricos de 4 tiempos, sin embargo puede extenderse a motores
policilíndricos pero realizando el adecuado control de las señales para la
unidad de control.
El mejor lugar para situar el sensor y el temporizador, es el volante (Fig. 32):
85
Fig. 32 Ubicación del sensor y temporizador para controlar el sistema de alimentación.
Además es necesario aclarar que cuando son motores policilíndricos, se
necesitará disponer también de un riel en el cual se almacene el aire
comprimido (Fig. 33), es decir desempeñará la función de otro acumulador de
aire, esto con el objetivo de minimizar las pérdidas de presión durante la
inyección de aire al cilindro:
Fig. 33 Ubicación del riel de almacenamiento de aire presurizado al sistema propuesto.
86
6.2 PROPUESTA 2
“MODIFICACIÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN QUE FUNCIONA
ÚNICAMENTE CON AIRE QUE ES INYECTADO A TRAVÉS DEL MÚLTIPLE
DE ADMISIÓN MEDIANTE UNA PRECÁMARA”.
6.2.1 ANÁLISIS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS
Para hacer el análisis de pérdidas mecánicas debe considerarse el esquema
(fig. 34) de ambas propuestas el cual se muestra a continuación:
Fig. 34 Esquema básico del sistema de alimentación de aire comprimido
6.2.2 PROCEDIMIENTO
Considerando el giro y la disposición del cigüeñal como se muestra en la fig.
35:
Fig. 35 Ubicación del giro del conjunto cigüeñal-pistón
87
Se tienen que tomar en cuenta:
La velocidad de rotación del eje
Las dimensiones tanto del pistón como lo son el diámetro del mismo y las
dimensiones del cigüeñal que de igual forma interesa el diámetro.
Para poder determinar la velocidad máxima (Vmax) a la que se moverá el
pistón, se debe encontrar la velocidad a la que el mismo se desplaza cuando
se encuentra en el punto medio de la carrera ya que tanto en el Punto Muerto
Superior (PMS) como en el Punto Muerto Inferior (PMI) la velocidad será igual
a cero.
Con las ecuaciones:
Donde:
v = Es la velocidad máxima a la que se desplaza el pistón.
w = Es la velocidad de giro del cigüeñal expresada en rpm
r = Es el radio del cigüeñal o brazo donde se apoya la biela del pistón.
Conociendo la velocidad máxima se puede conocer el caudal que ingresa en la
cámara y que permite dicho movimiento.
Donde:
Q = Flujo volumétrico o caudal
v = Es la velocidad máxima a la que se desplaza el pistón.
A = Área de la cabeza del pistón que es igual a:
Con este valor de caudal se pueden calcular entonces las características de la
tubería a partir de las tablas correspondientes:
Para ello pueden utilizarse los nomogramas de neumática que pueden verse en
anexos con las referencias siguientes:
Selección de tuberías
Longitudes supletorias o longitudes equivalentes de accesorios
88
Las longitudes de la tubería dependerán tanto de la selección que se haga a
partir de las tablas como de la disposición que se haga en la instalación in situ,
ya que las características individuales de cada instalación serán determinantes.
Ahora a partir de la ecuación de estado y el caudal se puede obtener el flujo
másico que se tendrá ya que con la ecuación de estado se puede obtener la
densidad con los datos previamente establecidos en el análisis termodinámico.
Con esto pueden obtenerse las variaciones de densidad que permiten calcular
las pérdidas entre los diferentes puntos que componen el sistema con la
ecuación de Energía de flujo.
6.2.3 PROCEDIMIENTO PARA CALCULAR LA MASA QUE ENTRA
AL CILINDRO
Fig. 36 Análisis cinemático del movimiento del pistón.
Se procede a calcular la velocidad máxima del pistón, la cual viene
determinada por:
89
Se calcula un tiempo, el cual se puede saber en base a las rpm máximas del
motor, pues para completar un ciclo de trabajo se necesitan 2 revoluciones del
motor. Estas condiciones serán críticas.
Por ejemplo, a 6000 rpm tendremos 3000 ciclos, por lo cual un ciclo durará
60s/3000=0.02 s/ciclo.
Con lo anterior ya se puede calcular una velocidad máxima.
El llenado del motor, es decir la masa de mezcla que ingresa a el se determina
de la manera siguiente:
Donde:
: Volumen de aire real admitido en el motor.
V: volumen de aire teórico admitido en el motor.
: Masa de aire que ingresa al motor.
: Densidad del aire de admisión que ingresa al motor.
D: desplazamiento volumétrico de n cilindros
La eficiencia volumétrica es la efectividad que pueden alcanzar los motores en
el llenado del cilindro así como en la salida de los gases producto de la
combustión, es decir, que la misma se encuentra asociada principalmente a los
sistemas de alimentación y de escape, los cuales son determinantes en buena
medida de la potencia. El valor de eficiencia volumétrica viene dado por los
fabricantes del motor.
Con el valor encontrado de la masa que ingresa al motor, se divide entre el
tiempo máximo y tendremos el flujo de masa que está ingresando al motor bajo
esas condiciones.
Cuando no tenemos el flujo exacto, podemos utilizar la regla general de
potencia (HP) x 2.5, con lo cual se obtendrá un flujo aproximado pero en
unidades de volumen sobre tiempo.
Si queremos calcular los CFM (Pies Cúbicos por Minuto) especifico para un
motor a 4 tiempos podemos multiplicar las pulgadas cubicas de cilindrada por
90
las máximas revoluciones anticipadas, dividir esto por 3456, y multiplicarlo por
la eficiencia volumétrica.
La eficiencia volumétrica es un factor determinado por la eficiencia del turbo,
los sistemas electrónicos de inyección y variación de aperturas de válvulas
Un motor a gasolina con carburador normalmente tiene una eficiencia
volumétrica de 0.70 a 0.80, pero buenos controles electrónicos pueden
subir ese valor a más de 2.0.
Un motor a diesel (2 tiempos o 4 tiempos) tiene una eficiencia
volumétrica de 0.90.
Un Turbo sube la eficiencia volumétrica a 1.50 a 3.00. Cuando no
conocemos ese valor, se recomienda el uso de 3.00.
Para el caso de que el aire a presión se introduzca a la entrada del múltiple (fig.
37) de admisión, tendremos:
Fig. 37 Esquema del sistema de alimentación propuesto
91
En el lugar donde normalmente va el carburador, se coloca una abrazadera
para llevar a cabo el acoplamiento de la manguera de aire a presión que viene
desde el tanque de almacenamiento del sistema, esto debe asegurar que no
exista desacople, lo cual tendría efectos negativos en el sistema.
Para el caso de varios cilindros, se dispone de una electroválvula por cada
ducto que conduce a determinado cilindro, la cual puede funcionar
perfectamente con señales del volante o con el del árbol de levas.
En la fig. 38 nótese como sería el dispositivo:
Fig. 38 Ubicación de las electroválvulas
Se necesita disponer de una unidad de control que tome parámetros de
señales del sensor de posición y del temporizador.
El sensor de posición indicará en qué el pistón se encuentra en la posición
correcta para empezar la carrera de trabajo (es decir el PMS), mientras que el
temporizador servirá para saber cuál es el momento adecuado para realizar la
inyección del aire.
La unidad de control procesa las señales y envía una orden para activar la
electroválvula.
Cabe aclarar que este control se adecúa perfectamente a un motor
monocilíndricos de 4 tiempos, sin embargo puede extenderse a motores
policilíndricos pero realizando el adecuado control de las señales para la
unidad de control.
El mejor lugar para situar el sensor y el temporizador, es el volante:
92
Además es necesario aclarar que cuando son motores policilíndricos, se
necesitará disponer también de un riel (fig. 39) en el cual se almacene el aire
comprimido, es decir desempeñará la función de otro acumulador de aire, esto
con el objetivo de minimizar las pérdidas de presión durante la inyección de
aire al cilindro:
Fig. 39 Ubicación del riel donde se almacena el aire a presión.
Normalmente, el trabajo de las levas en un motor de 4 tiempos funcionando
con combustible se efectúa de la siguiente manera (fig.40):
Fig. 40 Movimiento y ubicación de las levas de un motor.
Donde puede verse que se tiene una separación de 90º en el giro en el sentido
de las agujas del reloj, con lo que se producen las carreras de admisión,
compresión, potencia y escape respectivamente.
93
Con la modificación, el motor quedaría trabajando siempre como un motor de 4
tiempos, teniendo una subida y bajada donde habrá admisión seguido de
escape en las primeras dos carreras del pistón y quedando con dos carreras en
vacio hasta la próxima inyección.
La modificación consistirá en el desplazamiento angular del pistón dejándolo
como se muestra en la siguiente figura, siempre con una diferencia de 90º con
el giro del eje en el sentido de las agujas del reloj, pero iniciando como se
muestra:
Fig. 41 Sistema de levas modificado
6.2.4 EJEMPLO DE CÁLCULOS
Con los datos de velocidad de giro y radio del cigüeñal del motor que vaya a
modificarse y la ecuación:
Tendremos: la velocidad de lineal del pistón, misma que servirá en la ecuación:
Para obtener el caudal junto con el área del pistón que se conocerá
previamente y así con las tablas de selección de tubería y longitudes
equivalentes se tienen los datos de:
Diámetro de tuberías
Longitud de tuberías
Longitudes equivalentes para los accesorios que se utilizan y que se
representan en los respectivos esquemas.
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Posteriormente considerando al aire como un gas ideal y con la ecuación de
estado para gases ideales:
Donde:
P = Presión a la que se encuentra el gas en el punto de análisis
v = Volumen especifico
m = Masa del gas
R = Constante del aire que es igual a 0.287 kJ/kg
T = Temperatura a la que se encuentra el gas en el punto de análisis.
Expresándola de la siguiente forma:
Donde:
ρ = Es la densidad que presenta el gas para esas condiciones
Se encuentra la densidad para las condiciones entre los puntos de análisis, los
valores de P, R y T serán conocidos a partir del análisis termodinámico
realizado previamente.
Con las condiciones definidas para cada punto y haciendo las consideraciones
de la ecuación de energía de flujo que:
Entre 2 puntos cualesquiera 1 y 2 hay:
Ordenando:
Así:
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Donde:
E1 = Energía en el punto 1
Eagregada = Energía que se agrega para poder llegar al punto 2
E2 = Energía en el punto 2
Eperdida = Energía que se pierde por fricción y/o perdidas mecánicas
Hs = Presión estática del fluido presión en reposo
v = velocidad en el punto 1
g = gravedad
He = Elevación
Hp = Presión agregada por la bomba, ventilador o compresor.
Hf = Perdidas de presión en la tubería por fricción.
Además es de tomar en cuenta los siguientes aspectos:
La elevación puede considerarse mínima
No hay presión agregada ya que como es un proceso de descarga no se
utiliza el compresor para impulsar el aire sino solo para llenar el tanque.
Se consideran estáticas ambas presiones tanto en el tanque como en la
salida
Y es de esta manera como se puede calcular las perdidas mecánicas en el
sistema.
Este método de análisis es válido tanto para la propuesta 1 como para la
propuesta 2, es importante hacer ver que para la propuesta 2 solo deberá
considerase además la pre cámara de inyección de aire y las tres tuberías ya
que para la propuesta 1 solo se cuenta con un cilindro mientras que para la
propuesta 2 se tendrán 3.
6.2.5 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS TERMODINÁMICO
MODIFICACIONES
Se modifica el eje de levas en la leva de escape, de tal forma que después de
abrir la válvula de admisión exactamente con el pistón en PMS inicie el ingreso
de aire y finalice con el pistón en PMI o sea 180º después. A los 170º antes que
finalice la carrera de admisión se debe abrir la válvula de escape y cerrarse
360º después.
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FUNCIONAMIENTO
Todo el sistema se mantiene, lo que se busca es lograr con la modificación del
árbol de levas es hacer el ciclo de admisión y escape en 2 tiempos; para el
caso de la válvula de admisión se adecuará colocando una válvula check que
permita poder inyectar sin tener contraflujo de aire, y la cavidad de la bujía se
debe retirar ya que podría representar fugas de presión.
Así al admitir el aire a presión, el pistón se impulsará hacia abajo y podrá
regresar gracias a la inercia y subirá también al lograr evacuar el aire para que
no represente obstáculo alguno
DESCRIPCION DE LA PROPUESTA
PROCEDIMIENTO:
ETAPA “A”: ALIMENTACIÓN
ETAPA “B”: APERTURA Y CIERRE
ETAPA “C”: REGULACION 1
ETAPDA “D”: REGULACION 2
ETAPA “E”: INYECCIÓN
DESCRIPCIÓN GENERAL:
1. ETAPA DE ALIMENTACIÓN
En esta etapa se provee aire presurizado para poder alimentar a todo el
sistema, y por ende al cilindro del motor. La provisión de aire es gracias al
compresor principal ubicado en una estación fija, dicho compresor debe tener
alta capacidad de presión, con esto se pretende disminuir la pérdidas para
cuando alimente al cilindro de almacenamiento, el cual fungirá como “tanque de
combustible” y lo abastecerá durante todo el funcionamiento del mismo.
2. ETAPA DE APERTURA Y CIERRE.
Es aquí donde se abre o cierra el paso al aire comprimido a la tubería,
dependiendo del requerimiento del usuario, se utiliza una válvula de paso o de
globo.
3. ETAPA REGULACIÓN “1”
En esta etapa existe una electroválvula la cual se calibra a una presión
determinada, según el requerimiento del motor. Esta válvula puede modificarse
en cuanto al valor de presión de trabajo deseado.
4. ETAPA REGULACION “2”
Es aquí donde se produce el efecto “acelerador” con el cual se controla la
velocidad del motor. Se regula el caudal y presión de paso del aire comprimido.
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5. ETAPA “INYECCIÓN”
Esta es la etapa más crucial en todo el sistema pues es aquí donde se
alimentan a los cilindros para su posterior accionamiento. Para este caso se
inyecta aire presurizado a lo que es la entrada del múltiple de admisión, es
decir se elimina el carburador y se hermetiza todo el múltiple. Para que ingrese
el aire a presión a cada cilindro, es necesario disponer de un correcto control y
sincronización de la apertura y cierre de las válvulas, es decir se necesitaría
modificar el árbol de levas en todo caso.
En el proceso normal de funcionamiento del motor, cuando se abre la válvula
de admisión y el pistón en PMS se inicia la inyección de aire y finaliza cuando
el pistón llega al PMI, o sea 180º después. A los 170º antes que llegue el psitón
al PMI se abre la válvula de escape e inicia la evacuación del aire hasta llegar
el pistón al PMS (360º).
ANÁLISIS TERMODINÁMICO
El inicio del análisis termodinámico se da desde la etapa de alimentación,
tomando como referencia los datos de presión y temperatura ambiente
(101.325 KPa y 300 K).
Es necesario considerar un proceso isentrópico utilizando las relaciones de
presión y presión relativa, y las tablas termodinámicas de aire. La ecuación
utilizada es la siguiente:
Con la ecuación anterior, se encuentra la presión Pr1, entrando a tablas con
dicho valor, y se logrea encontrar el valor de T1. Al tener el valor de T1, se
utiliza la ecuación de estado del gas ideal:
Con la ecuación anterior se encuentra la masa de aire contenida en el cilindro
(v es el volumen requerido del cilindro).
Para los tramos siguientes, se realiza un proceso similar, encontrando valores
de variables como energía interna (U), entalpía (h), temperatura (T), presión (P)
y presiones relativas (Pr) según lo demande cada etapa con los datos
disponibles.
Los valores determinados anteriormente son la base para el posterior cálculo
de eficiencias y disponibilidad, esto con el objetivo de determinar las pérdidas,
las cuales son de vital importancia para la selección de componentes.
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Las ecuaciones de eficiencia y disponibilidad son, respectivamente:
y
Con los cálculos que se obtengan, se podrá hacer una buena aproximación en
la selección de componentes y determinar otras características de importancia
para el sistema.
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CONCLUSIONES
1. Resulta más práctico, el modificar lo que es el sistema de alimentación a
través del orificio de la bujía (primera propuesta), pues presenta menos
pérdidas en el sistema, sin embargo existe una dificultad muy grande, la
cual es lograr que la sincronización de apertura de las válvulas sea
bastante precisa, pues de no ser así se corre el riesgo de frenar el motor
con una contrapresión.
2. Cuando se pretende construir el sistema alimentado a través del orificio
del carburador (segunda propuesta), es notorio que cuando se atraviese
todo el múltiple de admisión existirán pérdidas de presión de aire, sin
embargo, este sistema se logra una mejor precisión en cuanto al control
del ingreso y salida del aire comprimido de los cilindros.
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BILIOGRAFIA
http://www.monografias.com/trabajos3/recip/recip.shtml
http://www.estrucplan.com.ar/articulos/verarticulo.asp?idarticulo=1287
http://www.cab.cnea.gov.ar/enief/dirjobs/S09/PCiancio_final.pdf
http://www.ing.ucv.ve/Web_Ingenieria_Programas_10/EMecanica/Disep
df/4819_Dise%C3%B1o_mecanico_recipiente_presion.pdf
http://www.taringa.net/posts/ebooks-tutoriales/3918386/Dise%C3%B1o-
Y-C%C3%A1lculo-De-Recipientes-a-Presi%C3%B3n---J_-M_-L_-
%5B4S%5D.html
http://www.pdfgratis.org/Calculo-de-recipientes-a-presion
http://www.almuro.net/sitios/Mecanica/Motor.asp?sw04=1#partes
http://www.sabelotodo.org/automovil/camaras.html
http://ing.unne.edu.ar/pub/camaras_comb.pdf
Obert, Edward. “Motores de Combustión Interna”. Editorial CECSA.
Vigésima tercera reimpresión.
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ANEXOS
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