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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
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INDICE
Contenido
INTRODUCCIÓN ... 4CAPÍTULO I
1. MÁQUINA Y MOTOR ... 5 1.1 MÁQUINAS DE FLUIDO ... 5 1.2 ENTALPÍA DE UN FLUIDO ... 6 1.3 MOTOR TÉRMICO ... 71.4 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 ... 364.1 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
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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 ... 776.1 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
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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.
6 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.
9 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.
10 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.
11 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.12 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.
14 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.
15 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.
17 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.
20 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.
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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.
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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.
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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.
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.)
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.
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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.
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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
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:
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
