Puesta a punto y caracterización de un filtro de aceite centrífugo

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(1)1. IM-2003-V-15. PUESTA A PUNTO Y CARACTERIZACIÓN DE UN FILTRO DE ACEITE CENTRÍFUGO. LEONARDO CORAL TRIVIÑO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C. 2003.

(2) 2. IM-2003-V-15. PUESTA A PUNTO Y CARACTERIZACIÓN DE UN FILTRO DE ACEITE CENTRÍFUGO. LEONARDO CORAL TRIVIÑO. Proyecto de Grado para optar al título de Ingeniero Mecánico. Asesor Dr. Ing. JAIME LOBOGUERRERO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C. 2003.

(3) IM-2003-V-15. Bogotá, D.C. 15 de mayo de 2003. Doctor Ingeniero ALVARO PINILLA SEPÚLVEDA Director del departamento de Ingeniería mecánica Ciudad Apreciado Doctor: Someto a consideración de usted el proyecto de grado titulado PUESTA A PUNTO Y CARACTERIZACIÓN DE UN FILTRO DE ACEITE CENTRÍFUGO, que tiene como objetivo brindar a los estudiantes un método de estudio alternativo sobre filtración de aceites de vehículos y maquinaria pesada, con mayor facilidad de seguimiento. Considero que este proyecto cumple con sus objetivos y lo presento como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico.. Cordialmente,. ____________________________ LEONARDO CORAL TRIVIÑO Código: 199511184. 3.

(4) IM-2003-V-15. Bogotá, D.C. 15 de mayo de 2003. Doctor Ingeniero ALVARO PINILLA SEPÚLVEDA Director del departamento de Ingeniería mecánica Ciudad Apreciado Doctor: Someto a consideración de usted el proyecto de grado titulado PUESTA A PUNTO Y CARACTERIZACIÓN DE UN FILTRO DE ACEITE CENTRÍFUGO, que tiene como objetivo brindar a los estudiantes un método de estudio alternativo sobre filtración de aceites de vehículos y maquinaria pesada, con mayor facilidad de seguimiento. Considero que este proyecto cumple con sus objetivos y lo presento como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico.. Cordialmente,. ____________________________ JAIME LOBOGUERRERO Profesor Asesor. 4.

(5) 5. IM-2003-V-15. DEDICATORIA. El autor dedica esta obra a: Esta patria boba, tan convulsionada, agobiada y dolida. Mi madre, por su apoyo incondicional en todos estos años de ardua actividad académica. Mis abuelos, por su apoyo incondicional en todos estos años de ardua actividad académica..

(6) 6. IM-2003-V-15. AGRADECIMIENTOS. El autor expresa su agradecimiento a: Jaime Loboguerrero, Profesor Titular del Departamento de Ingeniería Mecánica y Asesor del proyecto por sus valiosas orientaciones. Alejandro Barrera, Ingeniero mecánico. Por su valioso aporte con información y documentación..

(7) 7. IM-2003-V-15. TABLA DE CONTENIDO Pag. INTRODUCCIÓN. 13. 1. OBJETIVOS. 16. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 17. 3. PROPÓSITO. 18. 4. ANTECEDENTES. 19. 5. REGISTRO GRÁFICO DEL SISTEMA EXISTENTE. 26. 6. CÁLCULOS ANALÍTICOS SOBRE EL FILTRO. 29. 6.1 VERIFICACIÓN DE LA SUSTENTACIÓN DEL CILINDRO ROTOR POR PARTE DEL COJINETE HID ROSTÁTICO INFERIOR. 29. 6.2 ANÁLISIS DE LA TOBERA. 32. 6.2.1 ANÁLISIS DEL DIÁMETRO DE SALIDA DE LA TOBERA. 34. 6.2.2 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE SOBRE LA TOBERA. 36. 6.3 ANÁLISIS DE LA ALTURA DE LA CUÑA DE ACEITE EN EL COJINETE INFERIOR. 38. 6.4 ANÁLISIS DE LOS TORQUES PROPULSOR Y FRICCIONANTES, EN EL CILINDRO ROTOR. 46. 6.4.1 TORQUE PROPULSOR. 47. 6.4.2 TORQUE DE FRICCIÓN DEL COJINETE INFERIOR. 48. 6.4.3 TORQUE DE FRICCIÓN DEL COJINETE SUPERIOR. 52. 6.4.4 TORQUE DE FRICCION DEBIDO AL BOMBEO DE ACEITE. 53.

(8) 8. IM-2003-V-15. 6.4.5 CURVA DE TORQUE V/S VELOCIDAD ANGULAR 7. REVISIÓN DE RESISTENCIA A LA PRESION. 56 58. 8. COMPARACIÓN DEL DISEÑO EXISTENTE CON EL PROPUESTO. 61. 9. CARACTERIZACION. 68. 10. PRUEBAS Y RESULTADOS. 70. 10.1 ANÁLISIS DE RESULTADOS. 72. 11. CONCLUSIONES 12. RECOMENDACIONES. 75 77. REFERENCIAS. 79. BIBLIOGRAFÍA. 80. PLANOS.

(9) 9. IM-2003-V-15. LISTA DE TABLAS Pag. Tabla 1. Datos de la caracterización. 72. Tabla 2. Distribución de los resultados. 73.

(10) 10. IM-2003-V-15. LISTA DE FIGURAS Pag. Figura 1. Esquema de la filtración centrífuga. 23. Figura 2. Variables importantes en los filtros centrífugos. 24. Figura 3. Isométrico del montaje existente. 26. Figura 4. Base y husillo del filtro. 27. Figura 5. Base del cilindro rotor. 28. Figura 6. Esquema del cojinete inferior del cilindro rotor. 30. Figura 7. Esquema del diagrama de cuerpo libre del cilindro rotor. 31. Figura 8. Esquema de una tobera. 32. Figura 9. Esquema de la tobera con ejes coordenados. 36. Figura 10. Esquema del cilindro rotor con su equivalencia eléctrica. 38. Figura 11. Distancia h entre el cojinete hidrostático inferior y el cilindro rotor. 43. Figura 12. Presión contra altura h, de la cuña de aceite que sustenta el cilindro rotor. 45. Figura 13. Esquema del torque de fricción y el par de propulsión Figura 14. Cojinete inferior Figura 15. Esquema de los esfuerzos cortantes interno y externo. 46 48 49. Figura 16. Esquema del cojinete superior. 52. Figura 17. Esquema de la trayectoria del aceite. 53. Figura 18. líneas de fricción y de propulsión. 57. Figura 19. Esquema del un elemento infinitesimal del cilindro rotor Figura 20. Base y husillo del filtro existente. 58 66.

(11) 11. IM-2003-V-15. Figura 21. Esquema del tamaño y proporción de partículas. 69. Figura 22. Tamaño y proporción del material retenido. 71. Figura 23. Caracterización. 72. Figura 24. Distribución de los resultados. 73. Figura 25 . Tamaño y proporción de partículas. 74. Figura 26. Tamaño y proporción del material retenido. 74. Figura 27. Corte Filtro Centrífugo. 78. Figura 28. Cilindro Rotor. 78.

(12) 12. IM-2003-V-15. LISTA DE FOTOS Pag. Foto 1. Montaje existente. 26. Foto 2. Base del filtro y del cilindro rotor. 27. Foto 3. Cojinete inferior modificado. 29. Foto 4. Tobera. 32. Foto 5. Cilindro rotor existente. 61. Foto 6. Cilindro rotor modificado. 62. Foto 7. Detalle del contorno del cilindro rotor modificado. 62. Foto 8. Base del cilindro rotor existente. 63. Foto 9. Base del cilindro rotor modificado. 64. Foto 10. Detalle de las guías. 64. Foto 11. Detalle de la carcasa existente. 65. Foto 12. Detalle de la carcasa rediseñada. 65. Foto 13. Detalle del nuevo drenaje. 67. Foto 14. Detalle del ducto pasante. 67.

(13) 13. IM-2003-V-15. INTRODUCCION. Este proyecto de grado consistió en el análisis, la puesta en funcionamiento y la caracterización de un filtro de aceite centrífugo, específicamente para el filtro prototipo diseñado y construido por el Ingeniero Ryno Isaksson en el segundo semestre del año 2001, el cual está montado sobre el banco de pruebas para filtros de aceite centrífugos diseñado y construido por el ingeniero. Alejandro. Barrera en el primer semestre de 2002. La finalidad de este proyecto es buscar un acercamiento a este tipo de tecnología que es bastante desconocida en nuestro país y que cada día cobra una mayor importancia en países del primer mundo, como una alternativa en la filtración de aceites, especialmente en motores diesel.. La idea general en un filtro de aceite centrífugo consiste en la utilización de estas fuerzas obtenidas por las altas velocidades de rotación, para separar las partículas pesadas del fluido. Del documento realizado por Isaksson, se trae el siguiente párrafo para darle al lector una idea de la importancia de estos filtros centrífugos, “Los filtros centrífugos surgieron como una alternativa a los filtros convencionales con medio filtrante como el papel; a medida que las máquinas se volvieron más eficientes y sensibles a las impurezas, debido a que este tipo de filtro tiene una gran capacidad para retener partículas contaminantes. Además, a largo plazo son.

(14) IM-2003-V-15. 14. más económicos que los filtros convencionales debido a que no son desechables, lo cual también contribuye a disminuir el impacto ambiental que en el caso de los filtros convencionales es bastante grande.”. Para entender un poco sobre la importancia de los filtros de aceite centrífugos y su funcionamiento, se procedió a estudiar en detalle los trabajos realizados por los ingenieros Ryno Isaksson y Alejandro Barrera. De dichos proyectos de grado, se obtuvieron variables de diseño, tales como presiones de operación, revoluciones esperadas, longitudes, diámetros y materiales utilizados en el diseño y la construcción del filtro y su banco. Con estas medidas y valores se procedió a realizar el análisis numérico del diseño existente, con el fin de establecer el motivo por el cual el cilindro rotor del filtro no se movía, impidiendo así el funcionamiento del filtro y por ende la filtración en sí.. Posteriormente se hicieron pruebas de desempeño sobre el filtro, con el propósito de comprobar si efectivamente filtraba y qué tamaño de partículas retenía, dando como resultado la caracterización del filtro.. La ejecución del proyecto se dividió de la siguiente forma:. 1. Estudio de los trabajos realizados por los Ingenieros Ryno Isaksson y Alejandro Barrera sobre el modo de operación de estos filtros. Análisis las recomendaciones expuestas en sus respectivos trabajos..

(15) IM-2003-V-15. 15. 2. Encontrar los posibles defectos en el diseño y corregirlos para así poder poner en marcha el filtro. 3. Realizar los planos correspondientes al diseño del filtro modificado. 4. Una vez puesto en marcha el filtro, cuantificar su capacidad de filtración haciendo pruebas experimentales sobre el sistema.. En este documento el lector puede encontrar todos los datos necesarios que especifican las variables de operación del filtro de aceite centrifugo y los resultados encontrados después de éste estudio..

(16) 16. IM-2003-V-15. 1. OBJETIVOS. Los objetivos principales de este proyecto de grado son: Desarrollar las modificaciones del caso, al filtro diseñado y construido por el ingeniero Ryno Issakson en el segundo semestre del 2001 y/o al banco de pruebas de filtros centrífugos realizado por el ingeniero Alejandro Barrera en el primer semestre de 2002, con el fin de lograr poner a punto el funcionamiento del filtro.. Al parecer, las pruebas hechas en el primer semestre de 2002 muestran evidencia sobre un funcionamiento defectuoso en cuanto a la velocidad alcanzada por el cilindro rotor. Como consecuencia de lo anterior se deben hacer cambios al diseño existente con el fin de que el cilindro gire en el rango de velocidad deseado.. Una vez que se halla encontrado solución a los problemas de giro del cilindro rotor del filtro, se tomará un fluido de prueba con un contaminante de gradación (tamaño de partículas) conocida, con el fin de hacer pruebas de filtración tendientes a caracterizar el comportamiento filtrante del sistema..

(17) 17. IM-2003-V-15. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Lo primero que se pretende hacer es una prueba de banco con el fin de ver en qué estado se encuentra el banco de pruebas y mas específicamente el filtro, medir su velocidad de giro, medir la presión del aceite a la salida de la bomba con el fin de comprobar si se encuentra en un rango de funcionamiento normal. También medir el caudal de salida de la bomba. Adicionalmente se va a hacer una inspección visual de las turbinas que mueven el cilindro rotor de tal manera que se puedan medir sus parámetros importantes.. Con las dimensiones de las turbinas y los parámetros del fluido en este punto se hará una revisión de su diseño, el cual podría ser cambiado con posterioridad para maximizar la fuerza que ejercen sobre el cilindro rotor. Hacer los ajustes al diseño y su correspondiente maquinado y montaje con el fin de poner en funcionamiento en filtro.. Se pretende caracterizar el desempeño del filtro para lo cual se requiere un aceite contaminado, como fluido de prueba, con una gradación conocida. En esta etapa se medirá cuanto contaminante es capaz de retener el filtro y el tamaño de las partículas de la placa de sedimento producida por la filtración, en el cilindro retenedor de partículas..

(18) 18. IM-2003-V-15. 3. PROPÓSITO. El propósito de este proyecto de grado es dejar un documento donde el lector encuentre los resultados de las modificaciones realizadas sobre el sistema existente y los resultados de su caracterización, junto con las propuestas para mejorar el sistema de filtración, con el fin de que en el futuro se pueda seguir perfeccionando el conjunto del que se dispone..

(19) 19. IM-2003-V-15. 4. ANTECEDENTES. El trabajo anterior se basó en el diseño y construcción de un banco de pruebas para filtros de aceite centrífugos, especialmente para el filtro prototipo diseñado y construido con anterioridad (Isaksson 2001). Los trabajos anteriores pretendieron acercarse a la tecnología de filtración centrífuga, ya que es bastante desconocida en la industria colombiana, y la cual es muy importante en países del primer mundo sobre todo a nivel de maquinaria pesada, motores Diesel, generadores eléctricos, buses y tractomulas.. En el trabajo existente, se obtuvieron variables de diseño como; presiones de operación, velocidades de giro esperadas, longitudes, diámetros y materiales utilizados en el diseño y la fabricación del primer prototipo (Isaksson 2001). Con lo anterior se procedió al diseño y la fabricación del banco de pruebas del filtro centrífugo, con el objetivo de poner en funcionamiento el filtro (Barrera 2002).. Tomado de la referencia [4] . El propósito general de un filtro centrífugo es la utilización de estas fuerzas, producto de las altas velocidades de rotación de un cilindro móvil dentro del filtro, con el propósito de separar partículas sólidas en suspensión que se encuentran en el fluido..

(20) IM-2003-V-15. 20. La cinemática de la filtración centrífuga se basa en el principio de la rotación de un objeto en torno a un eje o punto central, a una distancia constante radial a dicho punto, produciendo una fuerza sobre dicho objeto. El objeto o la partícula cambia de dirección constantemente con lo cual se produce una aceleración, aun cuando la velocidad rotacional permanezca constante. Esta fuerza centrípeta está dirigida hacia el centro de rotación.. Si el objeto que se hace girar en un recipiente cilíndrico, el contenido (fluido y sólidos en suspensión) experimenta una fuerza igual y en dirección opuesta, llamada fuerza centrífuga, en dirección de las paredes del cilindro. Esta fuerza es la responsable de la precipitación que conlleva a la filtración.. En cuanto a la filtración centrífuga, se destaca que las fuerzas que dicha aceleración produce hacen que partículas pequeñas se precipiten, lo cual es complicado con métodos de precipitación por gravedad o por medios filtrantes, pues en los primeros las partículas pequeñas se comportan como material en suspensión o en “cuasi solución” de tal manera que fluyen solidariamente con el fluido. En el caso de medios filtrantes existe una imposibilidad técnica para hacerlos con poros de menor tamaño que las partículas mas pequeñas a filtrar. Adicionalmente, si esto se solucionara, la presión necesaria en el fluido para atravesar el filtro seria demasiado elevada, sobre todo si se considera el filtro con ciertas horas de uso, en donde ya hay material retenido..

(21) IM-2003-V-15. 21. La filtración centrífuga ha tomado un gran impulso motivado por la sensibilidad de las nuevas tecnologías Diesel, a las partículas contaminantes de tipo abrasivo, en fluidos lubricantes. Se ha encontrado que los filtros que poseen medios filtrantes (medios de barrera como papel) no alcanzan a retener las partículas de gradación mas fina, cualidad que poseen los filtros centrífugos.. Otro aspecto importante de la filtración centrífuga que la hace ventajosa comparativamente, es que estos filtros no contienen partes desgastables o desechables, pues los cojinetes sobre los cuales gira el cilindro son de tipo hidrodinámico; todas las partes móviles están en contacto con abundante fluido lubricante de modo que virtualmente dichos filtros son de vida infinita.. Vale la pena destacar que la duración infinita de los filtros centrífugos tiene otra ventaja, la cual radica en que su impacto sobre el medio ambiente es mínimo, pues nunca se desechan, éste tópico en particular es un inconveniente de los filtros de medio filtrante convencional.. Si bien el precio inicial del filtro supera considerablemente el de un filtro de medio filtrante convencional, a largo plazo, después de miles de kilómetros recorridos o de cientos de horas de operación el costo relativo disminuye, pues no requiere recambio ni reparación; solo lavado. “En la actualidad un filtro de medio filtrante convencional para maquinaria pesada cuesta alrededor de US$ 30 y uno centrífugo alrededor de US$ 500 lo cual equivale a 16 cambios de aceite cada 5000 km. Recorriendo un promedio de 10000 km al mes resulta un periodo de.

(22) IM-2003-V-15. 22. retorno de la inversión de ocho meses y el filtro centrífugo sigue funcionando indefinidamente” [3] . Éste aspecto hace de la filtración centrífuga un campo de investigación con aplicaciones rentables para el fabricante y para el consumidor final.. Los dispositivos centrífugos también se usan en filtración, empleando una fuerza centrífuga en lugar de una diferencia de presión para hacer que fluya la suspensión a través de un filtro, y se acumule una torta de sólidos sobre una pantalla del filtro. La torta de sólidos granulares se deposita en el medio filtrante (papel comúnmente) sostenido en una canastilla rotatoria, se lava y se seca haciéndolo girar.. Tomado de la referencia [4]. En la figura 1 se muestra un recipiente cilíndrico o tazón giratorio y la alimentación de una suspensión de partículas sólidas en un fluido que penetra por el centro. Al entrar, la alimentación es arrastrada de inmediato hacia las paredes del cilindro como se ilustra en la figura 1b. La aceleración gravitatoria vertical y la aceleración centrifuga horizontal actúan sobre el liquido y los sólidos. La aceleración centrifuga suele ser tan grande que es posible despreciar la aceleración de gravedad. Entonces, la capa liquida asume una posición de equilibrio con su superficie casi vertical. Las partículas se precipitan horizontalmente hacia fuera, presionándose sobre la pared vertical del cilindro..

(23) 23. IM-2003-V-15. En la figura 1c. se muestra la separación centrifuga de dos líquidos con densidades diferentes. El fluido mas denso ocupará la periferia, pues la fuerza centrifuga es mayor sobre él. La aceleración de la fuerza centrifuga en un movimiento circular es. ac = r * w 2. m donde a c  2  es la aceleración causada por la velocidad angular. s . r [m] es la distancia radial al centro de rotación.  rad  w   es la velocidad angular.  s . Figura 1. Esquema de la filtración centrífuga. Cuando se realiza filtración centrifuga una partícula de cierto tamaño puede separarse del liquido en el cilindro cuando su tiempo de residencia es suficiente para que la partícula llegue hasta la pared. Es posible calcular el diámetro de la.

(24) IM-2003-V-15. 24. partícula mas pequeña extraída, cuando se mueve radialmente a su velocidad terminal de precipitación. En la figura 2 se muestra un esquema de un filtro centrifugo tubular. La alimentación penetra por el fondo o por arriba y se supone que todo el liquido se desplaza hacia arriba o hacia abajo a velocidad uniforme, arrastrando consigo a las partículas sólidas. Se supone que la partícula se mueve de forma radial a su velocidad de precipitación terminal, Vt. Una partícula de cierto tamaño se puede separar del liquido cuando dispone de tiempo suficiente para llegar a la pared del cilindro donde se mantiene. La longitud del cilindro es b [m] .. Figura 2. Variables importantes en los filtros centrífugos. Al final del tiempo de residencia de la partícula en el fluido, dicha partícula está a una distancia rb del eje de rotación. Si rb<r2, entonces la partícula abandona el cilindro con el fluido. Si rb=r2, la partícula se deposita en la pared y se separa de manera efectiva del fluido.. Para una precipitación en el intervalo de la ley de Stokes la velocidad terminal de precipitación en el radio r se obtiene a partir de la ecuación:.

(25) 25. IM-2003-V-15. vt =. w2 * r * D p. 2. 18µ. ( ρ p − ρ). Donde vt es la velocidad de precipitación en sentido radial en m/s, Dp es el diámetro de la partícula en metros, ρ p = densidad de la partícula kg/m3. ρ = densidad del fluido kg/m3, µ = viscosidad dinámica del fluido pa*s.. Puesto que v t =. 18µ dr la ecuación se transforma en dt = 2 dt w ( ρ p − ρ) * D2. *. dr r. Integrando entre los limites r=r1 en t=0 y r=r2 en t=tT se tiene:. tT =. 18µ w 2 (ρ p − ρ ) * D 2. * ln. r2 r1. El tiempo de residencia tT = volumen de liquido V en el recipiente, dividido entre el caudal Q m3/s. El volumen, V = π * v * (r2 2 − r1 2 ) Sustituyendo en la ecuación de tT y despejando Q se tiene:. [. w2 * ( ρ p − ρ ) * D p 2 2 2 Q= * (π * v (r2 − r1 )) r 18π * ln( 2 + r2 ) r1. ].

(26) 26. IM-2003-V-15. 5. REGISTRO GRÁFICO DEL SISTEMA EXISTENTE. Foto 1. Montaje existente. Figura 3. Isométrico del montaje existente.

(27) 27. IM-2003-V-15. Foto 2. Base del filtro y del cilindro rotor. Figura 4. Base y husillo del filtro.

(28) 28. IM-2003-V-15. Figura 5. Base del cilindro rotor.

(29) 29. IM-2003-V-15. 6. CÁLCULOS ANALÍTICOS SOBRE EL FILTRO. 6.1 VERIFICACIÓN DE LA SUSTENTACIÓN DEL CILINDRO ROTOR POR PARTE DEL COJINETE HIDROSTÁTICO INFERIOR. Foto 3. Cojinete inferior modificado.

(30) IM-2003-V-15. Figura 6. Esquema del cojinete inferior del cilindro rotor. Hallando la presión promedio:. P = 20 psi. D1 = Diametro _ int erno. D2 = Diametro _ externo. 30.

(31) 31. IM-2003-V-15. ". ". 7 3 7 D2 − D1 1 8 − 116 128 L= = = 0.00804m 2 2. A = 0.314in 2. A = 2.03 * 10− 4 m2 Haciendo un diagrama de cuerpo libre sobre el cilindro rotor, el cual tiene un peso sin contenido de aceite de 3089 g. Se tiene:. Figura 7. Esquema del diagrama de cuerpo libre del cilindro rotor. ∑F. y. = −3.09kg * 9.8. m + 137 * 103 * A 2 s.

(32) 32. IM-2003-V-15. ∑F. = −3.09kg * 9.8. ∑F. = − 2 .3 N. y. y. m + 137 *103 * 2.03 *10 − 4 m 2 2 s. Lo que muestra que la presión del aceite en el cojinete no es suficiente para sustentar el cilindro rotor, para que éste a su vez, gire libremente. La solución a este inconveniente será maquinar el cilindro por posesos de desprendimiento de viruta con el fin de reducirle el peso, para equilibrar el diagrama de cuerpo libre anteriormente mostrado.. 6.2 ANÁLISIS DE LA TOBERA. Foto 4. Tobera. Figura 8. Esquema de una tobera..

(33) 33. IM-2003-V-15. Vchorro = V2. Por _ la _ ecuacion _ de _ Bernoulli :. P1 +. 1 1 * ρ * V12 = * ρ * V22 + P2 2 2. V1 → 0. P2 → 0. P1 = 40 psi = 275.8Kpa. V2 =. 2 * P1 = ρ. V2 = 24.5. N 2 2 * 275.8 *10 = 600 m kg 918 m3 3. m s. La V2 es la velocidad a la salida de la tobera, ésta se necesita para poder hallar el área de salida de la tobera (área 2). Esto se puede lograr ya que se conoce el caudal entregado por la bomba [3]. El diámetro teórico de salida de la tobera se halla de la siguiente forma..

(34) 34. IM-2003-V-15. 6.2.1. ANÁLISIS DEL DIÁMETRO DE SALIDA DE LA TOBERA. Qbomba = 7.65. gal min. Qbomba = 4.83 * 10− 4. m3 s. Se _ utiliza _ un _ Coeficient e _ de _ reduccion [1] = 0.6. QCada _ tobera = V2 * A * 0.6. A=. QCada _ tobera V2 * 0.6. A=. Qbomba / 2 24.5 * 0.6. 4.83 * 10− 4 m3 2 s A= 24.5 * 0.6 m s.

(35) IM-2003-V-15. 35. A = 1.643 *10 −5 m2. π * D2 A= = 1.643 *10 −5 m2 4. D = 4.57 *10 − 3 m ≈ 4.6 mm. Este resultado es favorable, puesto que la tobera comercial empleada en el cilindro existente tiene un diámetro de 4.5 mm el cual resulta aceptable a la luz del anterior resultado..

(36) IM-2003-V-15. 36. 6.2.2 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE SOBRE LA TOBERA. Es importante hacer un diagrama de cuerpo libre sobre la tobera, puesto que se necesita conocer las fuerzas involucradas en esta pieza; éstas fuerzas son directamente transmitidas al cilindro rotor, ya que éste y las toberas giran solidariamente. Dichas fuerzas se deben a la reacción del aceite sobre la tobera al salir expulsado a gran velocidad por la superficie 2. El fenómeno de reacción es similar a la fuerza experimentada por un bombero al abrir la válvula que surte el agua de su manguera. [1]. Figura 9. Esquema de la tobera con ejes coordenados. ∑F. x. = ρ *Q *V.

(37) 37. IM-2003-V-15. En la siguiente ecuación r es la densidad del aceite SAE 20W40. y V es la velocidad de salida hallada anteriormente.. ∑F. x. = ρ * A*V 2. ∑ Fx = 918 ∑F. x. 2 kg −5 2 2 m * 1 . 643 * 10 m * 24 . 5 m3 s2. =9.05 N.

(38) IM-2003-V-15. 38. 6.3 ANÁLISIS DE LA ALTURA DE LA CUÑA DE ACEITE EN EL COJINETE INFERIOR. La altura de la cuña de aceite que tiene lugar en el cojinete inferior del cilindro rotor, es un dato importante ya que de ésta altura dependen el diseño de las piezas que permiten dicha holgura y la cantidad de torque ofrecido por la fricción. Para lograr hallar esta altura, el análisis se orientará hacia un esquema eléctrico resistivo, que represente las resistencias ofrecidas al aceite en los diferentes tramos por los cuales fluye en su paso por el cilindro rotor. El fluido (aceite) experimenta dos caídas de presión que se podrían hacer equivalentes a dos resistencias en las cuales se presenta una caída de voltaje.. Figura 10. Esquema del cilindro rotor con su equivalencia eléctrica.

(39) IM-2003-V-15. 39. Estas dos resistencias se presentan así: la resistencia A, en el trayecto de la salida del aceite por el husillo hasta la parte interna del cojinete inferior 1-2. La resistencia B, en el trayecto del punto interior del cojinete al exterior del mismo.. La ecuación que representa este fenómeno de perdida de presión es la siguiente:. P1 − P3 = K A * Q 2 + K B * Q 2. Así pues, la caída de presión entre 1-3 es la suma de la caída de presión 1-2 y la de 2-3.. Para cualquier sección transversal ∆P = ρ * g * h f. Donde h f = Cabeza de perdidas por fricción.. Por Darcy-Weisbach (Eq. 6-30. [1] ). hf = f *. L V2 * d 2g.

(40) 40. IM-2003-V-15. Entre 1-2. Suponiendo flujo laminar y ducto cilíndrico, la ecuación de perdida de presión es la siguiente. (Eq. 6-46. [1] ). f Lam =. 64 Re. 64 L ρ  Q  P1 − P2 = * * *  Re d 2  A . 2. Del _ diagrama _ de _ Moody _(.Fig . _ 6 − 13 _ [1]). Re =. Vd ν.  64ν L ρ P2 = P1 −  * * Vd d 2 . 2 Q   *  Bomba    A  . QBomba =V A.  64ν L ρ  QBomba   P2 = P1 −  * * *  d 2  A    d.  64 L Q  P2 = P1 −  2 * * µ *  Bomba  2  A  d.

(41) 41. IM-2003-V-15. L = Dis tan cia _ 1 − 2. d = Diametro _ del _ cilindro. 3   −4 m  4 . 83 * 10  64 0.125m s P2 = 275.8 *10 3 pa −  * * 0.264 pa * s *  2 2 2  0 . 16 m 2 0 . 02 m    .      . P2 = 275.8 *10 3 pa − 0.996 pa. P2 ≈ 275.8 *10 3 pa. Con el propósito de lograr que las pérdidas de presión entre los puntos 1 y 2 sean mínimas, se ha pensado en la posibilidad de maquinar unas estrías con una geometría correspondiente a medio círculo y tan largas como la longitud de 1 a 2 (Ver plano 4 o Foto 6). Estas estrías garantizarían que la presión en el borde interno del cojinete inferior, del cilindro rotor, fuese igual a la presión del aceite en el interior del mencionado cilindro (40 psi). Además garantizarían la constante lubricación del cojinete hidrostático inferior, ya que por éstas se fugaría una cantidad apreciable de aceite.. Para el flujo en el cojinete hidrostático inferior se asume flujo laminar en placas paralelas ya que el cojinete es plano. (Eq. 6-90. [1] ).

(42) 42. IM-2003-V-15. f Pla. Par =. 48 Re. 48 L ρ  Q  P2 − P3 = * * *  Re d 2  A . 2. En este caso por tratarse de un flujo en un ducto de sección no circular d = Diámetro hidráulico = Dh (Eq. 6-79. [1] ). 48 L ρ  Q  P2 − P3 = * * *  Re Dh 2  A . Dh =. 2. 4* A P. P = Perimetro _ mojado. El área es formada por el perímetro de la circunferencia promedio entre la circunferencia exterior del cojinete y la interior, de tal manera que es la circunferencia promedio por la altura h, que es la altura que separa el cilindro rotor del cojinete durante la sustentación..

(43) IM-2003-V-15. Figura 11. Distancia h entre el cojinete hidrostático inferior y el cilindro rotor.   R − R1   4 * 2 * π *  2  * h  2    Dh =   R − R1   2 * 2 *π *  2  + 2 * h  2  . Dh =. 2 * π * h * ( R2 − R1 ) π * ( R2 − R1 ) + h. R2 = 0.024m. R1 = 0.016 m. R2 − R1 = 0.008 m. 5.03 *10 − 2 * h Dh = 0.025 + h. 43.

(44) 44. IM-2003-V-15. 48ν L ρ  V * A  P2 − P3 = * * *  Vh Dh 2  A . 2. P2 − P3 =. 48 L (0 .025 + h ) µ * * *V 2 Vh 5.03 * 10 − 2 * h 2. P2 − P3 =. 48 L ( 0.025 + h) µ * * *V −2 5. 03 *10 h2 2. L = R2 − R1 = 0 .008 m. La viscosidad dinámica m es la del aceite SAE 20W40.. µ = 0.264 pa * s.  0.0253 + 1.06 * h  P2 − P3 = V *   h2  . Por simplicidad se toma P2 –P3 como la variable de presión P y V como 1. De tal forma que se convierte en la siguiente ecuación:. P=. 0.0253 + 1.06 * h h2.

(45) 45. IM-2003-V-15. La anterior ecuación anterior tiene el siguiente comportamiento:. Figura 12. Presión contra altura h, de la cuña de aceite que sustenta el cilindro rotor. Como se puede ver en la gráfica anterior, para valores de grandes de h el gradiente de presión del fluido que se mueve por ese trayecto disminuye. Por el contrario para valores pequeños de h el gradiente de presión aumenta. El anterior comportamiento corresponde al comportamiento intuitivo. El valor marcado de 285 kPa equivale a una presión de 40 psi, que es la presión de operación del sistema. Lo que muestra que para dicha presión el valor de la altura de la cuña de aceite es aprox. 3 décimas de milímetro..

(46) IM-2003-V-15. 46. Como 3 décimas de milímetro es una cantidad difícil de dar con maquinas herramienta utilizadas en taller, se va a dejar una holgura de 1 milímetro.. 6.4 ANÁLISIS DE LOS TORQUES PROPULSOR Y FRICCIONANTES, EN EL CILINDRO ROTOR. El cilindro rotor está sometido a los siguientes torques, un torque propulsor debido a las toberas, un torque de fricción debido al cojinete inferior, un torque de fricción debido al cojinete superior y por último, un torque friccionante debido al cambio de momentum al que es sometido el aceite dentro del cilindro, ya que éste se hace pasar de una velocidad angular cercana a cero a una alta velocidad en la pared del cilindro. Es importante conocer el comportamiento de los torques de propulsión y de fricción, en función de la velocidad angular, ya que se pretende encontrar el punto de operación del cilindro rotor; éste sería el punto teórico en donde se cortarían las líneas de fricción y propulsión, en donde en el eje de las abscisas representa la velocidad angular y el de las ordenadas, el torque.. Figura 13. Esquema del torque de fricción y el par de propulsión.

(47) IM-2003-V-15. 47. Se puede observar el par de fuerzas de 9N, correspondiente a las fuerzas efectuadas por las toberas, que se hallaron anteriormente en el análisis de cuerpo libre de las mismas.. 6.4.1 TORQUE PROPULSOR. T prop = 2 * F * R. T prop = 2 * 9 N * 0.0785m. T prop = 1.41N * m. La velocidad angular correspondiente a este par propulsor, es la velocidad angular debida a la velocidad tangencial de la tobera V = 24.5 m/s, ésta fue la velocidad hallada anteriormente en el análisis de la tobera, entonces:. m s ω= 0.0785m 24.5. ω = 305.7. rad ≈ 2920 RPM s.

(48) 48. IM-2003-V-15. 6.4.2 TORQUE DE FRICCIÓN DEL COJINETE INFERIOR. En planta el cojinete inferior se vería así:. Figura 14. Cojinete inferior. El torque de fricción del cojinete inferior se calcula como se muestra a continuación.. R1 = 0.0158m. R2 = 0.0238m. U1 = ω * R1. U1 = 305.7. U1 = 4.83. rad * 0.0158m s. m s.

(49) IM-2003-V-15. 49. U 2 = ω * R2. U 2 = 305.7. U 2 = 7.27. rad * 0.0238m s. m s. Se asumió una holgura de cuña de aceite de 0.3mm, que fue el resultado teórico que se obtuvo en el calculo de la altura de la cuña de aceite, anteriormente explicado.. Ahora hallando los esfuerzos cortantes en función de la velocidad angular (Formula 12-2. Pag.544.[2] ):. Figura 15. Esquema de los esfuerzos cortantes interno y externo.

(50) 50. IM-2003-V-15. τ1 = µ *. dU dy. m s τ1 = 0.264 pa * s * 0.00032m 4.83. τ1 = 3984.7 pa. τ2 = µ *. dU dy. m s τ 2 = 0.264 pa * s * 0.00032 m 7.27. τ 2 = 5997.75 pa. τ =. 3984.7 pa + 5997.75 pa 2. τ = 4991.2 pa.

(51) IM-2003-V-15. Hallando _ fuerza _ de _ friccion _ promedio. F fricc. _ prom = τ * A. A = 2.03 *10 − 4 m2. F fricc. _ prom = 4991 .2 pa * 2.03 * 10 − 4 m 2. F fricc. _ prom = 1N. Ahora hallando el torque de fricción que ejerce el cojinete inferior:. T fricc.coj. inf = F * R. T fricc.coj. inf = 1N *. R1 + R2 2. T fricc.coj. inf = 1N *. 0.0158m + 0.0238m 2. T fricc.coj. inf = 0.0198N * m. 51.

(52) 52. IM-2003-V-15. Hallando _ el _ par _ como _ funcion _ de _ la _ velocidad _ angular :. T fricc.coj. inf (ω ) =. 0.0198 *ω 305.7. T fricc.coj. inf (ω ) = 6.47 * 10− 5 * ω. 6.4.3 TORQUE DE FRICCIÓN DEL COJINETE SUPERIOR. El torque que ejerce el cojinete superior, se debe a la fricción existente entre el husillo (eje) y el casquete (cojinete). Se calcularía de la siguiente forma (Formula 12-5c. Pag 547. [2] ):. Figura 16. Esquema del cojinete superior.

(53) 53. IM-2003-V-15. Se _ midió _ una _ ho lg ura _ radial _ de _ 0.15mm :. Tcoj. sup =. Tcoj. sup. 4 *π 2 * r3 * l * µ *ω c. 4 * π 2 * (9 *10 − 3 )3 m3 * 12 *10 − 3 m * 0.264 pa * s = *ω 0.00015m. Tcoj. sup = 6.08 *10 − 4 * ω. 6.4.4 TORQUE DE FRICCION DEBIDO AL BOMBEO DE ACEITE. Perdida por bombeo del aceite del centro del husillo hasta la pared del cilindro rotor (Formula 11-11 pag. 692. [1] }:. Figura 17. Esquema de la trayectoria del aceite.

(54) IM-2003-V-15. Pf = potencia _ al _ freno = Potencia _ necesaria _ para _ mover _ el _ filtro. Pf = ω * T. Pw = Potencia _ util _ recibida _ por _ el _ fluido. Pw = ρ * g * Q * H. Pw = ρ * g * Q * H. Pw = ρ * Q * (U 2 * VT 2 − U1 *VT 1 ). U 2 = VT 2. U1 = VT 1 ≈ 0. η=. Pw Pf. 54.

(55) 55. IM-2003-V-15. Pw = ρ * g * Q * H. Pw = η * ω * T. η * ω * T = ρ * Q *VT 2. T =. ρ * Q * VT 2 η *ω. T =. ρ *Q *ω 2 * R2 η *ω. 2. 2. ρ * Q * ω * R2 T = η. ρ * Q * R2 T = *ω η. 3 kg −4 m 918 3 * 2.7 * 10 * 0.06752 m2 m s T = *ω η.

(56) IM-2003-V-15. 56. Asumo _ unaη = 0.6. T = 0.001822 * ω. 6.4.5. CURVA DE TORQUE V/S VELOCIDAD ANGULAR. Ahora se deben sumar los torques friccionantes, con el fin de conocer su comportamiento total:. ∑T ∑T. friccionantes. = 0.001822ω + 6.08 * 10−4ω + 6.47 *10 −5ω. friccionantes. = 0.0025 * ω. Curva de fricción:. y = 0. 0025* X. Curva de propulsión:. y=−. 1.41 * X + 1.41 305.7. y = −4.6 *10 − 3 * X + 1.41.

(57) 57. IM-2003-V-15. Punto de operación:. 0.0025 * X = −4.6 * 10−3 * X + 1.41. X = 198.7. rad s. Y = 0.49 N * m. Curvas de propulsion y friccion 1.6 1.4. T(N*m). 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. w(rad/s). Propulsion Friccion cojinete inferior Friccion debido al bombeo. Friccion total Friccion cojinete superior. Figura 18. líneas de fricción y de propulsión. 350.

(58) 58. IM-2003-V-15. 7. REVISIÓN DE RESISTENCIA A LA PRESION. Con el propósito de disminuir el peso del cilindro rotor se ha contemplado la posibilidad de retirar material, maquinando con procesos de desprendimiento de viruta.. Se hace un análisis de esfuerzos en el cilindro, debidos a la presión interna del aceite, así:. Figura 19. Esquema del un elemento infinitesimal del cilindro rotor. (Eq. 2-53. [2] ). σ t .med =. p * di = σ2 2t. (Eq. 2-55. [2] ).

(59) 59. IM-2003-V-15. σl =. P * di = σ3 4t. σ1 = 0. (Eq. 6.11. [2] ). σ Von _ Mises = σ ' =. σ. '. =.  p * di     2t . 2. (σ 1 − σ 2 )2 + (σ 2 − σ 3 )2 + (σ 1 − σ 3 )2 2. P * di   p * di +  −  4t   2t 2. 2. 2.  p * di   P * d i  σ =   +   2t   4t  '. 2.  p * di   1 1  σ =   * +   t   4 16  '. 2.  p * di  5 σ =   *  t  16 '. 2.  P * di  +  4t  . 2.

(60) 60. IM-2003-V-15. 2.  275.8 *103 pa * 0.13m  5  * σ =  0.003m   16 '. σ ' ≈ 6.7 * 106 pa.. F .S =. σy σ'. =. 210 * 106 ≈ 31 ⇒ OK . 6.7 * 106. Como se puede observar en el análisis anterior, la pared del cilindro se puede maquinar hasta llegar a un espesor de 3mm, sin que ocurra falla del elemento. Por este motivo se procederá a hacer el maquinado correspondiente, con el propósito de bajar el peso del cilindro rotor, junto con algunas otras modificaciones al diseño original, producto de la observación defectuosa de su desempeño en la puesta en funcionamiento. (ver planos y la comparación del diseño existente con el propuesto)..

(61) 61. IM-2003-V-15. 8. COMPARACIÓN DEL DISEÑO EXISTENTE CON EL PROPUESTO. Con los resultados que arrojaron los puntos 6 y 7 se decidió modificar el diseño existente [5] de la siguiente manera:. El punto de la verificación de la sustentación del cilindro rotor, por parte del cojinete inferior muestra que es necesario bajar el peso del cilindro rotor por medio de maquinado por procesos de desprendimiento de viruta.. Foto 5. Cilindro rotor existente.

(62) 62. IM-2003-V-15. Foto 6. Cilindro rotor modificado. Foto 7. Detalle del contorno del cilindro rotor modificado. Nótense los desbastes de material con el fin de rebajar peso..

(63) 63. IM-2003-V-15. Adicionalmente a esto, para que la distribución de la presión del aceite sobre el cojinete sea como se muestra en la figura 6, se le debe hacer, a la base del cilindro rotor, unas guías por donde el aceite fugue libremente y pueda sustentar el cilindro. En el sistema existente, la base del cilindro rotor casaba con un pequeño juego con respecto al husillo, lo que impedía el paso de aceite a 40 psi, del cilindro rotor al cojinete inferior, como se ve en la siguiente foto.. Foto 8. Base del cilindro rotor existente.

(64) 64. IM-2003-V-15. Foto 9. Base del cilindro rotor modificado. Foto 10. Detalle de las guías.

(65) 65. IM-2003-V-15. El filtro existente contaba con una carcasa protectora contra salpicaduras de aceite, la cual estaba fabricada en latón. Se pudo observar que dicho material era muy inconveniente para esta pieza, ya que impedía ver la velocidad angular a la que giraba el cilindro rotor; por lo cual se diseñó y fabricó una pieza similar, en acrílico transparente, con la cual se pudo medir la velocidad angular a la que giraba el cilindro, con ayuda de un estroboscopio.. Foto 11. Detalle de la carcasa existente. Foto 12. Detalle de la carcasa rediseñada.

(66) 66. IM-2003-V-15. Los agujeros en la parte superior de la carcasa, se hicieron con el propósito de evacuar el vapor de agua que se acumulaba en dicha zona y que impedía la visibilidad, y por ende la medición de la velocidad.. Se hizo otra modificación importante al diseño inicial; se hicieron tres agujeros mas, en el soporte del filtro, donde solo existía uno. Éste único agujero de drenaje era insuficiente para desalojar al carter el caudal de aceite que salía por las toberas.. Figura 20. Base y husillo del filtro existente..

(67) 67. IM-2003-V-15. Foto 13. Detalle del nuevo drenaje Nótese que el agujero de salida de aceite en la figura 20, no es un agujero pasante, solo llega hasta el centro del husillo. En la puesta a punto del filtro se pudo observar que el hecho que el ducto no fuera pasante hacía que gran parte de la presión de la bomba se consumiera en ese punto; era un codo que ofrecía muchas perdidas de energía. Se optó por hacer pasante el ducto quedando así:. Foto 14. Detalle del ducto pasante..

(68) 68. IM-2003-V-15. 9. CARACTERIZACION. En filtración, la caracterización se refiere a poder determinar la capacidad que tiene un filtro o medio filtrante para retener partículas contaminantes indeseadas en un fluido.. Se pretende caracterizar el desempeño del filtro para lo cual se requiere un aceite contaminado, como fluido de prueba, con una gradación conocida. En esta etapa se medirá cuanto contaminante es capaz de retener el filtro y el tamaño de las partículas de la placa de sedimento producida por la filtración, en el cilindro rotor.. En este punto se debía definir el tipo de contaminante que se iba a usar. Se habló con el ingeniero Jaime Loboguerrero (asesor del proyecto) con quien se llegó a las siguientes conclusiones: El material contaminante no podía ser viruta de algún metal, pues éste podía averiar el funcionamiento de la bomba de aceite o sus componentes(piñones, bujes etc), debía ser económico, de fácil consecución, mas denso que el aceite para evitar que flote y que viniera en una presentación tal, que se pudiera macerar, con el propósito de darle la granulometría deseada.. Se llegó a la conclusión que el mejor material contaminante en este caso sería el grafito. Su presentación no podía ser en polvo, pues éste es demasiado fino para.

(69) IM-2003-V-15. 69. ser retenido por un filtro experimental como este. Así pues, se decidió comprar minas de portaminas de 2mm de diámetro y macerarlas hasta llegar a una granulometría adecuada. El material granular se llevó al microscopio donde se estimaron los tamaños de partículas y su proporción con respecto al total. así:. Figura 21. Esquema del tamaño y proporción de partículas.. Los rangos de tamaños de partículas se encuentran en milímetros..

(70) 70. IM-2003-V-15. 10. PRUEBAS Y RESULTADOS. Por efecto del maquinado con propósitos de rebajar el peso del cilindro rotor, se pasó de un peso original de 3089 g a 2409 g. Reduciendo así el peso total del cilindro en 680 g. La reducción fue del 22%.. Se tomaron diez muestras de grafito macerado, cada una con un peso de 8 g. Se ponía en funcionamiento el sistema, se esperaba un tiempo de 4 minutos para que el cilindro rotor llegase a la velocidad de estado estable, en este momento se agregaba la muestra de contaminante al aceite y se esperaba por espacio de 5 minutos, con el fin de que el aceite contaminado circulase completamente por el filtro; de tal manera que la prueba completa durara 10 minutos. Se hicieron un total de diez pruebas de caracterización como ésta.. El cilindro rotor registró en el estroboscopio una velocidad angular de 486 RPM en laboratorio.. El material retenido por el filtro, después de las pruebas de caracterización, se llevó al microscopio con el fin de conocer su granulometría, la cual se estimó así:.

(71) 71. IM-2003-V-15. (Tamaño en mm). Figura 22. Tamaño y proporción del material retenido. 10.1. ANÁLISIS DE RESULTADOS. Los resultados encontrados en las pruebas de caracterización fueron los siguientes. Masa retenida (g) 5.13 5.21 4.92 5.6 5.21 5.32 4.75 4.96 4.98 5.03 5.111 promedio Tabla 1 . Datos de la caracterización Prueba 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10.

(72) 72. IM-2003-V-15. Figura 23. Caracterización. Teniendo en cuenta que este proyecto es fruto de un ejercicio académico y que la inversión ha sido bastante limitada por los costos; el hecho de que el filtro esté funcionando y filtre 5.11 g de una muestra de 8 g, lo que le da una eficiencia del 63.8% es bastante satisfactorio.. DISTRIBICION DE PROBABILIDAD X f(x) 4.75 0.53 4.92 1.21 ?= 0.24 4.96 1.37 4.98 1.43 ?= 5.111 5.03 1.57 5.13 1.66 5.21 1.53 5.21 1.53 5.32 1.14 5.6 0.21 Tabla 2. Distribución de los resultados.

(73) 73. IM-2003-V-15. Figura 24. Distribución de los resultados. Se puede ver. que la desviación estándar de los datos es razonablemente. pequeña, ya que la totalidad de los datos están muy cerca de la media. Esto lleva a pensar que la experimentación fue correcta y que los datos de la muestra son fidedignos.. Como se puede ver en las siguientes figuras, el filtro retiene partículas predominantemente grandes; el 70% de las partículas que retuvo son partículas en el rango de 0.5-1.5 mm, mientras que retuvo solo un 2% de partículas pequeñas en el rango de 0.01-0.1 mm..

(74) 74. IM-2003-V-15. Figura 25. Tamaño y proporción de partículas. Figura 26. Tamaño y proporción del material retenido.

(75) 75. IM-2003-V-15. 11. CONCLUSIONES. Aunque todavía se encuentra en proceso de maduración el estudio sobre filtros de aceite centrífugo para la posible fabricación y utilización de éstos en nuestro país, esta opción, y su utilización en vehículos diesel y maquinaria pesada luce prometedora y muy viable; por el bajo costo a largo plazo de este tipo de filtros y su bajo impacto ambiental. (Tomado de [3] ).. El filtro de aceite probado en este proyecto comienza a mostrar el funcionamiento deseado, después de los cambios realizados sobre éste, como se puede ver en los resultados de la caracterización.. Como se puede ver en las figuras 25 y 26. El filtro solo retuvo las partículas de mayor tamaño y por ende de mayor peso. Esto se debe a que la velocidad de giro del cilindro rotor (486 RPM) no es lo suficientemente alta para poder precipitar las partículas pequeñas y livianas hacia su pared externa. Este tipo de gradación de material retenido, con partículas predominantemente grandes es indeseable, pues las partículas finas siguen fluyendo solidariamente con el fluido.. A juzgar por el trabajo de los proyectos de grado anteriores a éste y por el esfuerzo analítico de éste; se puede afirmar que la investigación que hay detrás de.

(76) IM-2003-V-15. 76. la filtración centrífuga en el mundo (filtros comerciales) es bastante grande, pues el filtro que se diseñó en este proyecto todavía posee una eficiencia muy insipiente del 63.8% comparada con la de filtros comerciales que llegan al 99%.. El diseño de sistemas de filtración centrífuga requiere diseños y manufactura de alta precisión; evidencia de esto es que en este proyecto se lleva trabajando año y medio y todavía la eficiencia del filtro no es competitiva con la de uno comercial.. Es importante resaltar que, aunque el cilindro rotor pasó de tener un peso de 3089 g a un peso de 2409 g por efecto de la rebaja de material, por medio de maquinado, el cilindro sigue siendo muy pesado para alcanzar la velocidad angular teórica. Gran parte de la presión de la bomba de aceite se gasta en sustentar el cilindro, en el cojinete inferior, dejando el excedente de presión para hacer girar el cilindro.. Si se pudiera hacer un cilindro rotor mucho mas liviano, por ejemplo en aluminio que es 2.8 veces menos pesado que el acero, se podría hacer girar a mucha mayor velocidad y por ende conseguir una mayor eficiencia; pues si el cilindro gira mas rápido puede retener partículas mas pequeñas y livianas, que es lo que se pretende con un filtro de esta clase..

(77) 77. IM-2003-V-15. 12. RECOMENDACIONES. Se recomienda bajar la bomba, lavarla con un disolvente a presión, como gasolina, con el propósito de ajustar un poco la válvula de alivio; pues en las últimas pruebas de caracterización la bomba estaba escapando la presión por dicha válvula, al parecer por acción de residuos de contaminante en el mecanismo interno de bombeo (piñones, bujes etc).. Se recomienda no intentar hacer una rebaja adicional en el peso del cilindro rotor actual, pues la ganancia en eficiencia sería insignificante. Sería preferible hacer un rediseño total del filtro en un material liviano como el aluminio (imitando los filtros centrífugos comerciales. Figuras 27 y 28), pues la inercia (o el peso) que posee el filtro actual, cuando éste se llena de aceite, le impide girar a una mayor velocidad.. También sería deseable detectar y sellar unas pequeñas fugas que se presentan en el carter, con el fin de que la cantidad de aceite contenido en él, permanezca constante.. Estas figuras, corresponden al filtro de aceite centrífugo existente en el mercado, producido por la empresa Diesel Products..

(78) 78. IM-2003-V-15. Figura 27. Corte Filtro Centrífugo. Figura 28. Cilindro Rotor.

(79) 79. IM-2003-V-15. REFERENCIAS. [1] WHITE, Frank M. Mecánica de fluidos. México, Ediciones McGraw Hill (1983). [2] SHIGLEY, Joseph E. MISCHKE, Charles R. Diseño en ingeniería mecánica. Cuarta edición en español. México, Ediciones McGraw Hill (1998). [3] BARRERA, Alejandro. Diseño y construcción de un banco de pruebas para filtros de aceite centrífugos. Proyecto de Grado para Obtención del Título de Pregrado en Ingeniería Mecánica. Bogotá. Universidad de los Andes (2002). [4] PERRY, R. Manual del Ingeniero Químico. México, Ediciones McGraw Hill (1994 ). [5] ISAKSSON, RYNO. Diseño y Construcción de un Filtro de Aceite Centrífugo. Proyecto de Grado para Obtención del Título de Pregrado en Ingeniería Mecánica. Bogotá. Universidad de los Andes, 2001..

(80) 80. IM-2003-V-15. BIBLIOGRAFIA. -BURTON, John D.; LOBOGUERRERO, Jaime.. Bombas Rotodinámicas y de. Desplazamiento Positivo, Edición Julio 1999. Bogota, Colombia. Universidad de Los Andes, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica. -STREET, ROBERT L., WATTERS, GARY Z., VENNARD, JOHN K. Elementary Fluid Mechanics. 7 edición. John Wiley and Sons. EEUU, 1996. -ISAKSSON, RYNO. Diseño y Construcción de un Filtro de Aceite Centrífugo. Proyecto de Grado para Obtención del Título de Pregrado en Ingeniería Mecánica. Bogotá. Universidad de los Andes, 2001. -WHITE, Frank M. Mecánica de fluidos. México, Ediciones McGraw Hill (1983). -SHIGLEY, Joseph E. MISCHKE,. Charles R. Diseño en ingeniería mecánica.. Cuarta edición en español. México, Ediciones McGraw Hill (1998). -BARRERA, Alejandro. Diseño y construcción de un banco de pruebas para filtros de aceite centrífugos. Proyecto de Grado para Obtención del Título de Pregrado en Ingeniería Mecánica. Bogotá. Universidad de los Andes (2002). -PERRY, R. Manual del Ingeniero Químico. México, Ediciones McGraw Hill (1994 ). -Devore, Jai L. Probabilidad y estadística para ingeniería y ciencias. Cuarta edición. Ediciones Thomson (1998). -http://www.dieselproducts.com/spinner/spinner.html.

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