FUNDAMENTOS DEL MOTOR DE AIRE COMPRIMIDO

UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTO DE INGENIERIA MECÁNICA PIM115

CICLO I-2010

TEMA:

“FUNDAMENTOS DEL MOTOR ALIMENTADO POR AIRE COMPRIMIDO”

DOCENTE: ING. AGUSTIN BARRERA CARPIO

PRESENTAN: APONTES SANTOS, JUAN EDUARDO CUBIAS ALAS, MARVIN ALONSO ROMERO MARTÍNEZ, WILLIAM GUILLERMO

Ciudad Universitaria, 19 de julio de 2010

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INDICE Contenido INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 4

CAPÍTULO I 1. MÁQUINA Y MOTOR ............................................................................................................. 5 1.1 MÁQUINAS DE FLUIDO .................................................................................................... 5 1.2 ENTALPÍA DE UN FLUIDO ................................................................................................. 6 1.3 MOTOR TÉRMICO ............................................................................................................ 7 1.4 TIPOS DE MOTORES TÉRMICOS ....................................................................................... 7 2. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA ...................................................................................... 8 2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO EN MOTORES ALTERNATIVOS ..................................... 8 2.1.1 MOTOR OTTO ........................................................................................................... 8 2.1.2 MOTOR DIESEL ......................................................................................................... 9 2.1.3 MOTOR DE DOS TIEMPOS ....................................................................................... 10 2.2 SISTEMAS AUXILIARES ................................................................................................... 10 2.2.1 SISTEMA DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN ................................................................. 11 2.2.2 LUBRICACION EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ......................................... 21 2.2.3 ENFRIAMIENTO EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA ...................................... 23 3. ANALISIS DE ECUACIONES Y VARIABLES ............................................................................... 25 3.1 CUADRO DESCRIPTIVO DE LAS ECUACIONES. ................................................................. 31

CAPÍTULO II 4. DEFINICION DE COMPRESORES ........................................................................................... 36 4.1 CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES.......................................................................... 36 4.1.1 COMPRESORES ALTERNATIVOS ............................................................................... 36 4.1.2 COMPRESORES CENTRÍFUGOS ............................................................................... 38 4.1.3 COMPRESORES DE TORNILLO O HELICOIDALES ....................................................... 41 4.2 VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS DISTINTOS TIPOS DE COMPRESORES .................. 43 5. RECIPIENTES A PRESIÓN ...................................................................................................... 45 5.1 GENERALIDADES............................................................................................................ 45 5.1.1 CONCEPTOS BÁSICOS.............................................................................................. 46 5.2 TIPOS DE RECIPIENTES ................................................................................................. 49 2

5.2.1. POR SU USO .......................................................................................................... 50 5.2.2. POR SU FORMA ..................................................................................................... 50 5.3 TIPOS DE TAPAS ........................................................................................................ 52 5.4 MATERIALES EN RECIPIENTES A PRESIÓN ...................................................................... 56 5.4.1 ESPECIFICACIONES DE LOS ACEROS. ........................................................................ 57 5.4.2 CLASES DE MATERIALES .......................................................................................... 58 5.4.3 SOCIEDADES E INSTITUTOS QUE RIGEN LA SELECCIÓN DE MATERIALES Y FABRICACION DE RECIPIENTES A PRESION ....................................................................... 60 5.4.4 PROPIEDADES QUE DEBEN TENER Y REQUISITOS QUE DEBEN LLENAR LOS MATERIALES PARA SATISFACER LAS CONDICIONES DE SERVICIO...................................... 65 5.5 CARGAS Y ECUACIONES DE LOS RECIPIENTES A PRESIÓN ............................................... 67 5.5.1 TIPOS DE CARGAS ................................................................................................... 67 5.5.2 DISCONTINUIDAD ................................................................................................... 68 5.5.3 ECUACIONES UTILIZADAS EN LOS RECIPIENTES A PRESIÓN...................................... 70

CAPÍTULO III 6. ELABORACION DE PROPUESTAS .......................................................................................... 77 6.1 PROPUESTA 1 .............................................................................................................. 77 6.1.1 ANÁLISIS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS ........................................................................ 77 6.1.2 PROCEDIMIENTO .................................................................................................... 77 6.1.3 EJEMPLO DE CÁLCULOS ......................................................................................... 79 6.1.4 DESCRIPCIÓN Y ANALISIS TERMODINÁMICO DE LA PROPUESTA 1 ........................... 81 6.1.5 DETALLE DEL SISTEMA PROPUESTO ........................................................................ 84 6.2 PROPUESTA 2 ................................................................................................................ 86 6.2.1 ANÁLISIS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS ........................................................................ 86 6.2.2 PROCEDIMIENTO .................................................................................................... 86 6.2.3 PROCEDIMIENTO PARA CALCULAR LA MASA QUE ENTRA AL CILINDRO .............................................................................................................. 88_Toc276541293 6.2.4 EJEMPLO DE CÁLCULOS .......................................................................................... 93 6.2.5 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS TERMODINÁMICO ........................................................... 95 CONCLUSIONES....................................................................................................................... 99 BILIOGRAFIA ......................................................................................................................... 100 ANEXOS ................................................................................................................................ 101

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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.

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Máquinas Térmicas: Son aquellas en las cuales el fluido con el cual se intercambia la energía, se considera compresible, es decir, es un gas o un vapor.

1.2 ENTALPÍA DE UN FLUIDO En los fluidos se puede almacenar energía básicamente en tres formas: Aumentando la energía potencial debida a la gravedad. Aumentando la energía cinética. Aumentando la entalpía. La entalpía de un fluido se puede definir de la siguiente manera: "Energía almacenada en un fluido asociada a su energía interna y a su presión" La expresión matemática de la entalpía es la siguiente:

Donde: : Entalpía. : Energía interna del fluido. : Presión del fluido. : Volumen que ocupa el fluido. La energía interna de un fluido se define de la siguiente forma: “Energía almacenada en un fluido asociada a las energías cinética y potencial, que poseen sus partículas en virtud de sus velocidades y posiciones relativas ". La energía interna depende de la temperatura y del volumen del fluido, lo que indica que en caso de fluidos incompresibles solo dependerá de la temperatura. Esto muestra intuitivamente que se puede almacenar una mayor cantidad de energía en un gas que en un líquido, ya que en el primer caso se pueden manejar dos variables (temperatura y volumen), mientras que en el segundo solo una de ellas.

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1.3 MOTOR TÉRMICO Manteniendo consistencia con las definiciones anteriores, se define un motor térmico de la siguiente forma: “Es una máquina de fluido que transforma parte de la energía almacenada en un fluido compresible, en energía mecánica útil asociada al movimiento de un cuerpo rígido " La palabra térmico asociada a este tipo de máquinas, proviene del hecho de que la forma en la cual se eleva comúnmente la energía almacenada en el fluido compresible, se realiza a través de una adición de calor. En la mayoría de máquinas térmicas la adición de calor con la cual se eleva la energía almacenada en un fluido compresible, se realiza a través de un proceso químico de combustión, razón por la cual son comunes las designaciones "Máquinas de combustión" o "Motores de combustión".

1.4 TIPOS DE MOTORES TÉRMICOS Como se mencionó anteriormente al hablar de motores térmicos se hace referencia normalmente a motores de combustión, y es precisamente en base a esta característica que se clasifican este tipo de máquinas. Los motores térmicos o de combustión se clasifican de acuerdo a que ocurra o no el proceso de la combustión en el fluido de trabajo (fluido del cual toma la energía el motor), encontrándose la siguiente subdivisión: Motor de combustión externa: Es aquel en el cual el fluido de trabajo no es el que experimenta el proceso de la combustión, sino que ésta se lleva a cabo en un segundo fluido que no le transfiere directamente la energía al motor, sino al fluido de trabajo. Motor de combustión interna: Es aquel en el cual el fluido de trabajo es el que experimenta el proceso de la combustión, y a su vez le transfiere directamente la energía al motor.

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2. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA En los motores de combustión interna el fluido de trabajo experimenta también el proceso de la combustión, constando básicamente de una mezcla de aire y combustible inicialmente, que al quemarse dentro del motor se transforma en una serie de gases de combustión con alta energía, la cual se transfiriere posteriormente a la máquina. Los motores de combustión interna se clasifican de la siguiente forma: Motores alternativos: Estos poseen el mismo principio de funcionamiento de la máquina de vapor, solo que aquí el fluido de trabajo si experimenta el proceso de la combustión. En la figura 3 se muestra esquemáticamente un motor alternativo.

Fig. 3 Motor alternativo

2.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO EN MOTORES ALTERNATIVOS Los primeros motores de combustión interna no tenían compresión, sino que funcionaban con una mezcla de aire y combustible aspirada o soplada dentro durante la primera parte del movimiento del sistema. La distinción más significativa entre los motores de combustión interna modernos y los diseños antiguos es el uso de la compresión.

2.1.1 MOTOR OTTO El motor convencional del tipo Otto es de cuatro tiempos. La eficiencia de los motores Otto modernos se ve limitada por varios factores, entre otros la pérdida de energía por la fricción y la refrigeración.

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En general, la eficiencia de un motor de este tipo depende del grado de compresión. Esta proporción suele ser de 8 a 1 o 10 a 1 en la mayoría de los motores Otto modernos. Se pueden utilizar proporciones mayores, como de 12 a 1, aumentando así la eficiencia del motor, pero este diseño requiere la utilización de combustibles de alto índice de octano. La eficiencia media de un buen motor Otto es de un 20 a un 25%: sólo la cuarta parte de la energía calorífica se transforma en energía mecánica. El principio de funcionamiento se presenta de la siguiente manera: 1.Tiempo de admisión: El aire y el combustible vaporizado entran al cilindro. 2.Tiempo de compresión:El vapor de combustible y el aire son comprimidos al interior del cilindro. 3.Tiempo de combustión o potencia: El combustible se inflama y el pistón es empujado hacia abajo debido a la presión resultante de los gases de la explosión. 4.Tiempo de escape: Los gases de escape se conducen hacia fuera para ser expulsados a la atmósfera.

2.1.2 MOTOR DIESEL En teoría, el ciclo diesel difiere del ciclo Otto en que la combustión tiene lugar en este último a volumen constante en lugar de producirse a una presión constante. La mayoría de los motores diesel tienen también cuatro tiempos, si bien las fases son diferentes de las de los motores de gasolina. En la primera fase se absorbe aire hacia la cámara de combustión. En la segunda fase, la fase de compresión, el aire se comprime a una fracción de su volumen original, lo cual hace que se caliente hasta unos 440 °C. Al final de la fase de compresión se inyecta el combustible vaporizado dentro de la cámara de combustión, produciéndose el encendido a causa de la alta temperatura del aire. En la tercera fase, la fase de potencia, la combustión empuja el pistón hacia atrás, trasmitiendo la energía al cigüeñal. La cuarta fase es, al igual que en los motores Otto, la fase de expulsión. Algunos motores diesel utilizan un sistema auxiliar de ignición para encender el combustible al arrancar el motor y mientras alcanza la temperatura adecuada. La eficiencia de los motores diesel depende, en general, de los mismos factores que los motores Otto, y es mayor que en los motores de gasolina, llegando a superar el 40%. Este valor se logra con un grado de compresión de 14 a 1, siendo necesaria una mayor robustez, y los motores diesel son, por lo general, más pesados que los motores Otto. 9

Los motores diesel suelen ser motores lentos con velocidades de cigüeñal de 100 a 750 rpm, mientras que los motores Otto trabajan de 2.500 a 5.000 rpm. No obstante, en la actualidad, algunos tipos de motores diesel trabajan a velocidades similares que los motores de gasolina, pero por lo general con mayores cilindradas debido al bajo rendimiento del gasoil respecto a la gasolina.

2.1.3 MOTOR DE DOS TIEMPOS Con un diseño adecuado puede conseguirse que un motor Otto o diesel funcione a dos tiempos, con un tiempo de potencia cada dos fases en lugar de cada cuatro fases. La eficiencia de este tipo de motores es menor que la de los motores de cuatro tiempos, pero al necesitar sólo dos tiempos para realizar un ciclo completo, producen más potencia que un motor cuatro tiempos del mismo tamaño. El principio general del motor de dos tiempos es la reducción de la duración de los periodos de absorción de combustible y de expulsión de gases a una parte mínima de uno de los tiempos, en lugar de que cada operación requiera un tiempo completo. El diseño más simple de motor de dos tiempos utiliza, en lugar de válvulas de cabezal, las válvulas deslizantes u orificios (que quedan expuestos al desplazarse el pistón hacia atrás). En los motores de dos tiempos la mezcla de combustible y aire entra en el cilindro a través del orificio de aspiración cuando el pistón está en la posición más alejada del cabezal del cilindro. La primera fase es la compresión, en la que se enciende la carga de mezcla cuando el pistón llega al final de la fase. A continuación, el pistón se desplaza hacia atrás en la fase de explosión, abriendo el orificio de expulsión y permitiendo que los gases salgan de la cámara.

2.2 SISTEMAS AUXILIARES En un diagrama de bloques de entradas y salidas (Fig. 9), tendríamos como entrada: aire y combustible y el aporte de sistemas auxiliares necesarios para el funcionamiento como son los sistemas de lubricación, refrigeración y energía eléctrica; y en el interior del motor, sistema de distribución, mecanismos pistón-biela-manivela y como producto de salida final tendríamos la energía mecánica utilizable, además tendríamos como residuos o productos de la ineficiencia los gases de la combustión y calor cedido al medio.

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Fig. 9 diagrama de bloques de entradas y salidas en MCI

2.2.1 SISTEMA DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN Se denomina combustión al fenómeno que tiene lugar al explotar el gas combustible que se halla en el interior del cilindro. La combustión se produce en el tiempo de expansión o potencia, o sea en el tercer tiempo del ciclo del motor. La combustión empieza cuando el combustible se inflama debido a la compresión existente en el interior del cilindro.

2.2.1.1 LAS CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES DIESEL La mezcla de combustible y aire debería quemar en forma uniforme y progresiva, puesto que una detonación violenta de la mezcla provoca un estado de marcha desigual, el llamado “picado diesel”. Para lograr la combustión correcta, el combustible y el aire deben mezclarse adecuadamente. En los motores en que ese combustible se inyecta directamente a la cámara de combustión, se obtiene una mezcla más eficaz creando una turbulencia en el aire del interior del cilindro a medida que se comprime. 11

Esto suele hacerse perfilando la cabeza del émbolo de forma que obligue al movimiento del aire durante su compresión. En otros tipos de motor hay unas cámaras de turbulencia o cámaras de precombustión para mejorarla. Una cámara de turbulencia es una pequeña cámara esférica, situada encima o a un lado de la cámara principal de combustión y conectada con ella por una lumbrera. Cuando se comprime el aire del cilindro se obliga a que una parte del mismo pase a la pre-cámara de combustión, donde se crea un efecto de torbellino debido a su forma. El combustible es inyectado en esta cámara, donde se produce una combustión preliminar que fuerza a la mezcla a salir hacia la cámara principal, donde se completa su combustión. La pre-cámara de combustión, en la que se inyecta el combustible, está unida a la cámara principal mediante una seria de estrechos pasos; parte de la mezcla de esta primera cámara de inflama y expansiona, forzando a la restante mezcla, no encendida, a través de los pasos de conexión, hasta la cámara principal, donde llegan como una fina pulverización que arde de modo uniforme. Al producirse el encendido, el combustible pulverizado procedente del inyector se calienta con el aire comprimido y se mezcla con él. La combustión se extiende a toda la mezcla y la presión en el interior del cilindro aumenta. Esto es lo que se llama combustión normal, pues el encendido se produce en instante previsto. Combustión anormal, por el contrario, es la que, al no proceder del chorro de combustible del inyector, no se realiza en el instante previsto. Las causas pueden ser un contacto de superficie o el autoencendido. En el primer caso se produce, la mayoría de las veces, un calentamiento excesivo de la válvula de escape, lo que produce pérdida de potencia, funcionamiento ruidoso e irregularidades en la marcha, así como el encendido de residuos de la mezcla que no han sido expulsados en el tiempo de escape. Esta anormalidad se evita mejorando la refrigeración del motor y procurando que no se formen depósitos carbonosos. En cuanto a la combustión anormal por autoencendido, se da al producirse la “detonación” o combustión espontánea de la mezcla que queda en la cámara. Esto repercute en el sistema de refrigeración, ya que este no puede eliminar todo el calor producido, lo que causa calentamientos excesivos.

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RELACIÓN DE COMPRESIÓN EN MOTORES DIESEL En el motor Diesel la relación de compresión es mucho más elevada que en el motor de gasolina, pues se comprime el aire, de modo que se elimina el peligro de autoencendido, al no comprimirse el combustible. En un gráfico se puede observar que el rendimiento del motor mejora a medida que aumenta la relación de compresión. Sin embargo, a partir del grado de compresión 15 el aumento del rendimiento es menor y la curva se hace más plana. Esto provoca presiones muy fuertes en interior del cilindro, lo que exige un motor más robusto y, en consecuencia, más pesado y más caro. Por lo tanto, en motores medianos o grandes de menos de 750 rpm, la relación de compresión debe oscilar entre 12 y 14, y en motores pequeños entre 14 y 22. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA COMBUSTIÓN Entre los factores que intervienen en la combustión el principal es la velocidad de combustión de la mezcla, que depende: a) De la temperatura: si es alta, la velocidad de combustión será mayor. b) De la forma de la cámara de combustión. c) Del grado de turbulencia. d) De la presión de la mezcla: cuanto mayor sea, mayor es la proporción de la llama. Un segundo factor es la pulverización del combustible: a mayor pulverización se obtendrá mayor rendimiento.

CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN MOTORES DIESEL Según el tipo de cámara de combustión los motores Diesel pueden clasificarse como sigue: a) Con cámara de inyección directa. b) Con cámara arremolinadora. c) Con cámara de combustión con deposito de aire. d) Con pre-cámara de combustión.

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Las principales características de las cámaras anteriormente mencionadas son: a) Con cámara de inyección directa. El combustible se inyecta directamente en el cilindro (Fig. 10-1). La culata cierra el cilindro con una superficie plana, mientras que el inyector está situado en el centro. El inconveniente principal de este tipo de motor radica en que el aire esta poco agitado, siendo el inyector el responsable exclusivo de la mezcla, por lo que su fabricación ha de ser muy perfecta, y por lo tanto costosa. En estas condiciones, y para aprovechar al máximo la combustión, es conveniente que la cámara adopte la forma del chorro de combustible, o a la inversa. b) Con cámara arremolinadora. El motor Diesel rápido con diámetro de cilindro pequeño plantea el problema de obtener una mezcla rápida y homogénea de combustible y aire. Para lograrlo se lleva el aire al combustible, dotando a este de un movimiento de remolino, lo que provoca una fuerte turbulencia al llegar el embolo a su punto muerto superior (Fig. 10-2). En una cámara de combustión con turbulencia, al ser aspirado el aire es enviado tangencialmente, por lo que la válvula de aspiración lleva una especie de pantalla que guía adecuadamente la corriente de aire. Además de este movimiento existe otro transversal que impulsa al embolo dentro de la cámara. Las cámaras arremolinadoras también pueden estar separadas, en ellas, la cámara de combustión esta por entero fuera del cilindro; el espacio entre embolo y culata, al hallarse aquel en el punto muerto superior, es únicamente el preciso para permitir las dilataciones propias del funcionamiento. En este caso, la cámara tiene forma de esfera.

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Fig. 10 Tipos de cámara de inyección directa y arremolinadora

c) Con cámara de combustión con deposito de aire. Este tipo de cámaras se llaman también de acumulación (Fig. 11). El depósito de aire está constituido por una pieza postiza situada en el embolo, la cual comunica con la cámara de combustión a través de un orificio. Durante la compresión el aire se introduce en el depósito. Antes de alcanzarse el punto muerto superior comienza la inyección. Al pasar del punto muerto superior el movimiento del embolo se invierte, aumenta el volumen de la cámara de combustión y disminuye la presión que había en ella. El aire sale a través del orificio alimentando la llama en la zona del embudo y originando la combustión completa del combustible inyectado.

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Fig. 11 Cámara del tipo depósito de aire

d) Con antecámara de combustión. Estos motores se denominan también de combustión dividida o de pre– combustión. Se caracterizan por tener el espacio en que se desarrolla la combustión dividido en dos: por una parte la cámara comprendida entre la cabeza del embolo y la culata (Fig. 12), y por otra la pre-cámara, situada generalmente en la culata. En este tipo de cámara el funcionamiento es como sigue: al final de la carrera de compresión se inyecta el combustible. Parte de este combustible arde en la antecámara, aumentando la presión; el combustible que queda sin arder es proyectado, a través de un orificio de la antecámara, a la cámara principal. En esta encuentra el aire que precisa para completar la combustión. La principal ventaja de este sistema consiste en que se puede inyectar combustible a presiones relativamente bajas: de 80 a 160 atmósferas, en vez de las 250 – 350 necesarias en la inyección directa.

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Fig. 12 Cámara de combustión con precámara.

Comparación entre las diversas cámaras para motores diesel La cámara de inyección directa es, desde el punto de vista constructivo, la más sencilla y económica. En general, es preferible cuando las dimensiones del motor permiten el uso de toberas con orificios de diámetro suficiente para evitar peligros de taponamiento. En principio conviene que su diámetro sea, como mínimo, de 100 mm. Por el contrario, para motores con menor diámetro es preferible el empleo de cámaras arremolinadoras; y para motores pequeños y rápidos las mas indicadas son las cámaras de inyección indirecta, o sea con deposito de aire, y las pre-cámaras. En los sistemas de inyección directa, como no existe pre-cámara, no hay pérdidas expuestas y el rendimiento del motor aumenta. La revolución de compresión puede ser más baja, reduciéndose así las pérdidas por rozamiento, ya que en la inyección directa no es necesario bombear el aire hacia adentro y hacia fuera de la pre-cámara. Los motores de inyección directa son aproximadamente un 15 % más eficientes que los de inyección indirecta, y más simples en cuanto al arranque, al tener menos perdidas de calor. La combustión es más completa y el motor desprende menos humos. Ahora bien, su aplicación en los motores rápidos ha tenido que sobreganar dos problemas: los ruidos y vibraciones y el arranque en frío. El rendimiento energético de los motores con inyección directa es netamente superior a los motores de inyección indirecta. 17

2.2.1.2 LAS CÁMARAS DE COMBUSTIÓN EN LOS MOTORES ENCENDIDOS POR CHISPA La cavidad que se encuentra en la parte superior del cilindro constituye la cámara de combustión. Esta cámara es el lugar donde se quema la mezcla de aire combustible. La configuración de la cámara es de suma importancia, ya que la eficacia del motor depende de ello. La cámara de combustión está diseñada para concentrar completamente la fuerza explosiva del combustible que se quema en la cabeza del pistón. Una cámara de combustión eficiente debe reunir ciertos requisitos: - Ser pequeña para reducir al mínimo la superficie que absorbe calor al inflamarse la mezcla combustible. - No tener grietas o rincones que causen combustión espontanea o golpeteo (cascabeleo). - Debe poseer un espacio para la bujía, la cual idealmente se debe colocar en el centro de la cámara con el fin de reducir el tiempo necesario, para que se inflame toda la mezcla combustible, ya que la velocidad con que avanza la llama de la combustión en la cámara está limitada. Se sabe que la turbulencia que se logra en el proceso de admisión es importante pero se mejora con el traspaso de la mezcla a la cámara de combustión, consiguiéndose acelerar la combustión residual. Para que se logre una mejor combustión en los motores de combustible ligero y disminuir su toxicidad se debe: - Aumentar la intensidad de la chispa que salte de la bujía. - Crear turbulencia de la mezcla o carga en la admisión, que reduce la duración de la combustión y la uniformidad de los ciclos consecutivos. - Estratificar la mezcla, lo que consiste en que la mezcla cerca de la bujía sea la más rica y se empobrezca a medida que se aleja de la bujía.

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TIPOS DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN EN MOTORES ENCENDIDOS POR CHISPA. Cámara de combustión hemisférica Posee suficiente espacio para que los orificios de admisión y de escape sean de gran tamaño (Fig. 13), que sirve para que el motor tenga un máximo de entrada y salida de gases en cada cilindro, lo cual produce gran potencia cuando el motor está muy revolucionado. La bujía colocada en el centro, inflama toda la mezcla combustible en el menor tiempo posible.

Fig. 13 Cámara de combustión del tipo hemisférica

Cámara de tina Tiene la forma de una tina invertida con las válvulas en la parte inferior de la misma. Ya que las válvulas se pueden colocar en una sola hilera, el mecanismo que las hace funcionar es muy sencillo. La forma alargada y ovalada de la tina controla la turbulencia excesiva, y las paredes lisas por donde sube el pistón hasta el tope, hacen que se produzcan los chorros necesarios para que la mezcla forme turbulencias o remolinos. Los cilindros de gran diámetro y cortas cerreras del pistón hacen posible el uso de las válvulas grandes, para lograr el paso adecuado de los gases.

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Fig. 14 Cámara del tipo de tina

Cámara en forma de cuña Es más bien reducida. El corto recorrido de la llama (que va desde la bujía al punto más distante de la cámara) reduce la propensión al autoencendido (pre– ignición) o detonación. La explosión produce remolinos turbulentos cuando el pistón expulsa la mezcla de la zona más estrecha. La turbulencia mantiene bien mezclado el aire y el combustible de principio a fin, para que exista combustión uniforme. La expulsión también enfría la mezcla que se encuentra en las esquinas y reduce los puntos calientes que causen autoencendido. Cámara de expulsión Es una variante de cualquiera de las formas comunes. La zona de expulsión es la superficie plana de la cabeza, la cual casi toca la cabeza del pistón. Cuando este sube en el tiempo de compresión, expulsa los gases quemados a chorros y en forma de remolino hacia la cámara de combustión. El movimiento hace que el aire y el combustible se mezclen totalmente logrando una vaporización y una combustión más completa. La mezcla se enfría al rozar las paredes de la cámara, que están menos calientes gracias a los conductos de enfriamiento.

Cámara situada en la cabeza del pistón La cámara de combustión situada en la cabeza del pistón, la poseen los motores diesel y algunos motores de gasolina para automóviles europeos. Desaparece la ventaja de fabricar pistones con cabeza plana y eleva el costo de fabricación de este tipo de pistones y aumenta el peso de estos. 20

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 21

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

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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. 24

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.

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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 airecombustible 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.

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Donde:

POTENCIA INDICADA Es la energía entregada por unidad de tiempo al pistón por el gas que se expande en el interior del cilindro.

Donde: Potencia indicada

POTENCIA AL FRENO Es la potencia disponible en el eje de una maquina.

Donde:

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EFICIENCIA IDEAL Eficiencia en la cual se asume que no existen ningún tipo de pérdidas durante el ciclo de trabajo de una maquina térmica.

Donde:

EFICIENCIA TERMICA INDICADA Es la relación de la potencia obtenida al motor por medio de un indicador y la energía calorífica que el motor absorbe.

Donde:

EFICIENCIA TERMICA AL FRENO Es la energía real que puede ser aprovechada en un ciclo de trabajo (incluyendo acá perdidas por fricción, perdidas mecánicas, etc.)

Donde:

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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.

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3. Mezcla rica Una mezcla de combustible que tiene menos aire del requerido, o demasiado combustible absorbido por el motor, para mantener una relación estequiométrica. EFICIENCIA VOLUMÉTRICA Es la relación entre la potencia al freno y la potencia ideal, obtenida a partir de un ciclo ideal.

Donde:

RENDIMIENTO MECANICO Es la relación entre la potencia al freno y la potencia indicada. Esta es una medida de la eficiencia de las partes móviles del motor.

Donde:

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3.1 CUADRO DESCRIPTIVO DE LAS ECUACIONES, SUS VARIABLES Y RELACIONES ENTRE ELLAS. ECUACION

VARIABLE INDEPENDIENTE

VARIABLE DEPENDIENTE

,

N

,N

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. CASO 1: La N dependerá del trabajo que se de en el ciclo ya que lo demás es cte. Para un motor especifico. CASO 2: Ahora tanto la potencia como el trabajo dependerán de w, P y Z para diferentes modelos de motores.

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,

,

,

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.

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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.

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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).

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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. 37

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. 38

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. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

La presión barométrica más baja La presión de admisión más baja La temperatura máxima de admisión La razón más alta de calores específicos La menor densidad relativa El volumen máximo de admisión La presión máxima de descarga

La mayoría de los compresores centrífugos funcionan a velocidades de 3.500 rpm o superiores y uno de los factores limitantes es el de la fatiga del impulsor. Los impulsores de los compresores centrífugos son por lo común motores eléctricos o turbinas de vapor o gas, con o sin engranajes de aumento de velocidad. En un compresor, como en una bomba centrífuga, la carga es independiente del fluido que se maneje. Los compresores centrífugos constan esencialmente de: caja, volutas, rodetes impulsores, un eje y un sistema de lubricación. Las volutas convierten la energía cinética del gas desarrollada por los impulsores en energía potencial o presión. La caja es la cubierta en que van ajustadas las volutas y está proyectada para la presión a la que se ha de comprimir el gas. La caja se construye adaptándola a la aplicación particular y puede ser de hierro colado, acero estructural o fundición de acero. La compresión de un gas en un compresor centrífugo requiere con frecuencia un medio de ocluir el gas para evitar su fuga a la atmósfera o su contaminación. Existen varios tipos de oclusores: 1. el de cierre mecánico con anillo de carbón 2. el gas inerte 3. el directo de aceite en el cojinete del compresor y los de gasto de aceite

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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. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

enfriamiento y desecación, suministro de aire de combustión a hornos y calderas, sopladores de altos hornos, cúpulas y convertidores, transporte de materiales sólidos, procesos de flotación, por agitación y aireación, por ventilación, 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).

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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

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forma de manera que ajusten entre sí formando un cierre hermético por el cual no pueda escapar el gas al ser comprimido.

Fig. 18 Compresor de tornillo o helicoidal

A continuación presentamos esquemáticamente (Fig. 19) cual es el flujo de gas dentro del compresor:

Fig. 19 Esquema de funcionamiento de un compresor helicoidal

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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.

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 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.

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 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.

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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, 46

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 (N 2), un 20,94% de oxígeno (O2), un 0,035% de dióxido de carbono (CO 2) 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 47

construcción y requerir menores espesores que otras formas geométricas para resistir una misma presión, salvo la forma esférica, cuyo uso se reduce a grandes esferas de almacenamiento, dada su mayor complejidad en la construcción. PRESIÓN DE OPERACIÓN (Po) Es identificada como la presión de trabajo y es la presión manométrica a la cual estará sometido un equipo en condiciones de operación normal. PRESIÓN DE DISEÑO (P) Es el valor que debe utilizarse en las ecuaciones para el cálculo de las partes constitutivas de los recipientes sometidos a presión, dicho valor será el siguiente:

Si Po > 300 lb/pulg2.

Si Po ≤ 300 lb/pulg2.

P = 1.1. Po.

P = Po + 30 lb/pulg2.

Donde P es la presión de diseño, y Po es la presión de operación. PRESIÓN DE TRABAJO MÁXIMA PERMISIBLE Es la presión máxima a la que se puede someter un recipiente, en condiciones de operación, suponiendo que él está: a) En condiciones después de haber sido corroído. b) Bajo los efectos de la temperatura de diseño. c) En la posición normal de operación. d) Bajo los efectos de otras cargas, tales como fuerza debida al viento, presión hidrostática,

etc., cuyos efectos deben agregarse a los

ocasionadas por la presión interna. Es una práctica común, seguida por los usuarios, diseñadores y fabricantes de recipientes a presión, limitar la presión de trabajo máxima permisible por la resistencia del cuerpo o las tapas, y no por elementos componentes pequeños tales como bridas, boquillas, etc. El término “Máxima presión de trabajo permisible nuevo y frío” es usado frecuentemente. Esto significa: “La presión máxima permisible”, cuando se encuentra en las siguientes condiciones: a) El recipiente no está corroído (nuevo). 48

b) La temperatura no afecta a la resistencia a la tensión del material (temperatura ambiente) (frío). c) Tampoco se consideran los efectos producidos por la acción del viento, presión hidrostática, etc. El valor de la presión de trabajo máxima permisible, se obtiene despejando “p” de las ecuaciones que determinan los espesores del cuerpo y las tapas, y usando como “t” el espesor real del equipo y su valor será el que resulte menor. ESFUERZO DE DISEÑO A LA TENSIÓN (S) Es el valor máximo al que podemos someter un material, que forma parte de un recipiente a presión, en condiciones normales de operación. Su valor es aproximadamente el 25% del esfuerzo último a la tensión del material en cuestión.

5.2 TIPOS DE RECIPIENTES Los diferentes tipos de recipientes a presión que clasificar de las siguientes maneras:

existen, se pueden

De almacenamiento Por su uso Recipientes

De proceso

a presión.

Horizontales Cilíndricos Por su forma

Verticales Esféricos

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5.2.1. POR SU USO Por su uso los podemos dividir en recipientes de almacenamiento y en recipientes de proceso. Los primeros nos sirven únicamente para almacenar fluidos a presión, y de acuerdo con su servicio son conocidos como tanques de almacenamiento, tanques de día, tanques acumuladores, etc. Los recipientes a presión de proceso tienen múltiples y muy variados usos, entre ellos podemos citar los cambiadores de calor, reactores, torres fraccionadoras, torres de destilación, etc.

5.2.2. POR SU FORMA Por su forma, los recipientes a presión, pueden ser cilíndricos o esféricos. Los primeros pueden ser horizontales o verticales, y pueden tener, en algunos casos, chaquetas para incrementar o decrecer la temperatura de los fluidos según el caso. Los recipientes esféricos se utilizan generalmente como tanques de almacenamiento, y se recomiendan para almacenar grandes volúmenes a altas presiones. Puesto que la forma esférica es la forma “natural” que toman los cuerpos al ser sometidos a presión interna, ésta sería la forma más económica para almacenar fluidos a presión, sin embargo, la fabricación de este tipo de recipientes es mucho más cara en comparación con los recipientes cilíndricos. Los tipos más comunes de recipientes pueden ser clasificados de acuerdo a su geometría como: 1 Recipientes Abiertos. Tanques Abiertos. 2 Recipientes Cerrados. Tanques cilíndricos verticales, fondo plano. Recipientes cilíndricos horizontales y verticales con cabezas formadas. Recipientes esféricos. Indicaremos algunas de las generalidades en el uso de los tipos más comunes de recipientes: 50

RECIPIENTES ABIERTOS: Los recipientes abiertos son comúnmente utilizados como tanque igualador o de oscilación como tinas para dosificar operaciones donde los materiales pueden ser decantados como: desecadores, reactores químicos, depósitos, etc. Obviamente este tipo de recipiente es más que el recipiente cerrado de una misma capacidad y construcción. La decisión de que un recipiente abierto o cerrado es usado dependerá del fluido a ser manejado y de la operación. Estos recipientes son fabricados de acero, cartón, concreto…. Sin embargo en los procesos industriales son construidos de acero por su bajo costo inicial y fácil fabricación. RECIPIENTES CERRADOS: Fluidos combustibles o tóxicos o gases finos deben ser almacenados en recipientes cerrados. Sustancias químicas peligrosas, tales como ácidos o sosa cáustica son menos peligrosas si son almacenadas en recipientes cerrados. TANQUES CILINDRICOS DE FONDO PLANO: El diseño en el tanque cilíndrico vertical operando a la presión atmosférica, es el tanque cilíndrico con un techo cónico y un fondo plano descansando directamente en una cimentación compuesta de arena, grava o piedra triturada. En los casos donde se desea usar una alimentación de gravedad, el tanque es levantado arriba del terreno y el fondo plano debe ser incorporado por columnas y vigas de acero. RECIPIENTES CILINDRICOS HORIZONTALES Y VERTICALES CON CABEZAS FORMADAS: Son usados cuando la presión de vapor del líquido manejado puede determinar un diseño más resistente. Varios códigos han sido desarrollados o por medio de los esfuerzos del API y el ASME para gobernar el diseño de tales recipientes. Una gran variedad de cabezas formadas son usadas para cerrar los extremos de los recipientes cilíndricos. Las cabezas formadas incluyen la semiesférica, elíptica, toriesférica, cabeza estándar común y toricoidal. Para propósitos especiales de placas planas son usadas para cerrar un recipiente abierto. Sin embargo las cabezas planas son raramente usadas en recipientes grandes. RECIPIENTES ESFERICOS: El almacenamiento de grandes volúmenes bajo presiones materiales son normalmente de los recipientes esféricos. Las capacidades y presiones utilizadas varían grandemente. Para los recipientes mayores el rango de capacidad es de 1000 hasta 25000 Psi (70.31 - 1757.75 Kg/cm²).

51

Y de 10 hasta 200 Psi (0.7031 - 14.06 Kg/cm²) para los recipientes menores. Cuando una masa dada de gas esta almacenada bajo la presión es obvio que el volumen de almacenamiento requerido será inversamente proporcional a la presión de almacenamiento. En general cuando para una masa dada, el recipiente esférico es más económico para grandes volúmenes y bajas presiones de operación. A presiones altas de operación de almacenamiento, el volumen de gas es reducido y por lo tanto en tipo de recipientes cilíndricos es más económico.

5.3 TIPOS DE TAPAS Para “cerrar” recipientes cilíndricos, existen varios tipos de tapas, entre estas tenemos las siguientes: Tapas planas, planas con ceja, únicamente abombadas, abombadas con ceja invertida, toriesféricas, semielípticas, semiesféricas, tapas 80-10, tapas cónicas, toricónicas, etc. Las características principales y usos de estas tapas son: TAPAS PLANAS Las tapas planas (fig. 20) se utilizan para “cerrar” recipientes sujetos a presión atmosférica generalmente, aunque en algunos casos se usan también en recipientes sujetos a presión. Su costo entre las tapas es el más bajo, se utilizan también como fondos de tanques de almacenamiento de grandes dimensiones.

Fig. 20 Vista seccional de una tapa plana

TAPAS PLANAS CON CEJA Al igual que las anteriores, las tapas plana con ceja (fig. 21) se utilizan generalmente para presiones atmosféricas, su costo también es relativamente bajo, y tienen un límite dimensional de 6 metros de diámetro máximo. 52

Fig. 21 Vista seccional de una tapa plana con ceja

TAPAS ÚNICAMENTE ABOMBADAS Las tapas únicamente abombadas (fig. 22) son empleadas en recipientes a presión manométrica relativamente baja, su costo puede considerarse bajo, sin embargo, si se usan para soportar presiones relativamente altas, será necesario analizar la concentración de esfuerzos generada al efectuar un cambio brusco de dirección.

Fig. 22 Esquema de una tapa del tipo abombada

TAPAS ABOMBADAS CON CEJA INVERTIDA Su uso es limitado debido a su difícil fabricación (fig. 23), por lo que su costo es alto, siendo empleadas solamente en casos especiales.

Fig. 23 Vista esquemática de la complicada forma de la tapa abombada con ceja invertida.

53

TAPAS TORIESFÉRICAS Las tapas toriesféricas (fig. 24) son las que mayor aceptación tienen en la industria, debido a su bajo costo ya que soportan altas presiones manométricas, su característica principal es que el radio de abombado es aproximadamente igual al diámetro. Se pueden fabricar en diámetros desde 0.3 hasta 6 metros.

Fig. 24 Ejemplo esquemático de una tapa toriesférica.

TAPAS SEMIELÍPTICAS Son empleadas cuando el espesor calculado de una tapa toriesférica es relativamente alto, ya que las tapas semielípticas (fig. 25) soportan mayores presiones que las toriesféricas. El proceso de fabricación de estas tapas es el troquelado, su silueta describe una elipse relación 2:1, su costo es alto.

Fig. 25 Vista de la sección de una tapa semielíptica

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TAPAS SEMIESFÉRICAS Utilizadas exclusivamente para soportar presiones críticas. Como su nombre lo indica, en las tapas semiresféricas (fig. 26) su silueta describe una media circunferencia perfecta, su costo es alto y no hay límite dimensional para su fabricación.

Fig. 26 Ejemplo esquemático de tapa semiesférica

TAPAS 80:10 Ya que en algunos países no se cuenta con prensas lo suficientemente grandes para troquelar tapas semielípticas 2:1 de dimensiones relativamente grandes, se ha optado por fabricar este tipo de tapas, cuyas características principales son: El radio de abombado es el 80% del diámetro; y el radio de esquina o radio de nudillos es igual al 10% del diámetro. Estas tapas (Fig. 27) las usamos como equivalentes a la semielíptica relación 2:1.

Fig. 27 Sección transversal de una tapa 80:10

TAPAS CÓNICAS Las tapas cónicas (Fig. 28) se utilizan generalmente en fondos donde pudiese haber acumulación de sólidos y como transiciones en cambios de diámetro de recipientes cilíndricos. Su uso es muy común en torres fraccionadoras o de destilación, no hay límite en cuanto a dimensiones para su fabricación y su única limitación consiste en que el ángulo del vértice no deberá ser mayor de 60º.

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Las tapas cónicas con ángulo mayor de 60º en el vértice, deberán ser calculadas como tapas planas. Deberá tenerse la precaución de reforzar las uniones cono-cilindro de acuerdo al procedimiento.

Fig. 28 Vista seccional de las tapas cónicas

TAPAS TORICÓNICAS A diferencia de las tapas cónicas, este tipo de tapas (Fig. 29) tienen en su diámetro mayor un radio de transición que no deberá ser menor al 6% del diámetro mayor ó 3 veces el espesor. Tienen las mismas restricciones que la tapa cónica.

Fig. 29 Tapa del tipo toricónico

5.4 MATERIALES EN RECIPIENTES A PRESIÓN En la etapa de diseño de recipientes a presión, la selección de los materiales de construcción es de relevante importancia, para lo cual, necesitamos definir una secuencia lógica en la selección de éstos. Cabe hacer la aclaración que éste es un tema muy amplio y complejo, por lo cual, será difícil llegar a dar recetas para la selección adecuada de los materiales a usar, en recipientes a presión.

56

5.4.1 ESPECIFICACIONES DE LOS ACEROS. Los aceros al carbón y de baja aleación son usualmente usados donde las condiciones de servicio lo permitan por los bajos costos y la gran utilidad de estos aceros. Los recipientes a presión pueden ser fabricados de placas de acero conociendo las especificaciones de SA-7, SA-113 C y SA-283 A, B, C, y D, con las siguientes consideraciones: 1.- Los recipientes no contengan líquidos ó gases letales. 2.- La temperatura de operación está entre -20 y 650°F. 3.- El espesor de la placa no exceda de 5/8" 4.- El acero sea manufacturado por horno eléctrico u horno abierto. 5.- El material no sea usado para calderas. Uno de los aceros más usados en los propósitos generales en la construcción de recipientes a presión es el SA-283 C. Estos aceros tienen una buena ductilidad, fusión de soldadura y fácilmente maquinables. Este es también uno de los aceros más económicos apropiados para recipientes a presión; sin embargo, su uso es limitado a recipientes con espesores de placas que no excedan de 5/8" para recipientes con un gran espesor de cascarón y presión de operación moderadas el acero SA-285 C es muy usado. En el caso de presiones altas o diámetros largos de recipientes, un acero de alta resistencia puede ser usado como el acero SA-212 B es conveniente para semejantes aplicaciones y requiere un espesor de cascarón de solamente de 790% que el requerido por el SA-285 C. Este acero es también fácilmente fabricado pero es más caro que otros aceros. El acero SA-283 no puede ser usado en aplicaciones con temperaturas sobre 650°F; el SA-285 no puede ser usado en aplicaciones con temperaturas que excedan de 900°F, y el SA-212 tiene muchos esfuerzos permisibles bajos en las temperaturas más altas, por lo que el acero para temperaturas entre 650 y 1000°F. El acero SA-204, el cual contiene 0.4 a 0.6% de molibdeno es satisfactorio y tiene buenas cualidades. Para temperaturas de servicio bajas (-50 a -150°F) un acero niquelado tal como un SA-203 puede ser usado. Los esfuerzos permisibles para estos aceros no están especificados por temperaturas bajas de -20°F. Normalmente el fabricante hace pruebas de impacto para determinar la aplicación del acero y fracturas a bajas temperaturas. 57

En la etapa de diseño de recipientes a presión, la selección de los materiales de construcción es de relevante importancia, para lo cual necesitamos definir una secuencia lógica para la selección de estos. Así pues realizaremos un breve análisis de la filosofía a que sigue la ASME, para seleccionar sus materiales y por consiguiente para especificarlos como adecuados en la construcción de los recipientes a presión.

5.4.2 CLASES DE MATERIALES El código ASME indica la forma de suministro de los materiales más utilizados, lo cual va implícita en su especificación. A continuación se dan algunos ejemplos de materiales, su especificación y forma de suministro. PLACA Especificación SA-515-70 SA-285-C SA-36 Composición Nominal C-Si C-Si C-Si Esfuerzo de cedencia KPSI 38 30 36 Esfuerzo último en KPSI 70 55 58 Esfuerzo de diseño en KPSI 17.5 13.8 12.7 (de - 20 a 650 ºF) FORJA (Bridas) Especificación SA-105 SA-181 SA-266-II Composición nominal C-Si C-Si C-Si Esfuerzo de cedencia en KPSI 36 36 35 Esfuerzo último en KPSI 70 70 70 Esfuerzo de diseño en KPSI 17.5 17.5 17.5 (de - 20 a 650ºF) TUBOS DE CÉDULA Especificación SA-106-B SA-53 SA-333-1 Composición nominal C-Si C-Si C-Si Esfuerzo de cedencia en KPSI 30 30 30 Esfuerzo último en PKSI 48 48 55 Esfuerzo de diseño en KPSI 15 15 13.7 (de - 20 a 650ºF)

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TUBOS DE CALIBRE Especificación SA-179 SA-334-1 SA-556-C2 Composición nominal C-Si C-Si C-Mn Esfuerzo de cedencia en KPSI 30 40 Esfuerzo último en KPSI 46 55 70 Esfuerzo de diseño en KPSI 11.7 13.7 17.5 Entre los materiales de más comúnmente usados en la fabricación de recipientes a presión, está principalmente el acero al carbón y algunas aleaciones especiales como aceros especiales austeníticos y ferríticos: Titanio Incoloy Zirconio Hastelloy Hafnio Monel Tántalo Inconel Molibdeno Admiralty

Debido a la existencia de diferentes materiales disponibles en el mercado, en ocasiones no resulta sencilla la tarea de seleccionar el material ya que deben considerarse varios aspectos como costos, disponibilidad de material, requerimientos de procesos y operación, facilidad de formato, etc. Así pues es necesaria una explicación más amplia acerca del criterio de la selección de los materiales que pueden aplicarse a los recipientes como: ACEROS AL CARBON Es el más disponible y económico de los aceros, recomendables para la mayoría de los recipientes donde no existen altas presiones ni temperaturas. ACEROS DE BAJA ALEACION Como su nombre lo indica, estos aceros contienen bajos porcentajes de elementos de aleación como níquel, cromo, etc. Y en general están fabricados para cumplir condiciones de uso específico. Son un poco más costosos que los aceros al carbón. Por otra parte no se considera que sean resistentes a la corrosión, pero tienen mejor comportamiento en resistencia mecánica para rangos más altos de temperaturas respecto a los aceros al carbón. ACEROS DE ALTA ALEACION Comúnmente llamados aceros inoxidables. Su costo en general es mayor que para los dos anteriores. El contenido de elementos de aleación es mayor, lo que ocasiona que tengan alta resistencia a la corrosión.

59

MATERIALES NO FERROSOS El propósito de utilizar este tipo de materiales es con el fin de manejar sustancias con alto poder corrosivo para facilitar la limpieza en recipientes que procesan alimentos y proveen tenacidad en la entalla en servicios a baja temperatura. En la tabla 1 se puede observar los aceros recomendados para los rangos de temperatura más usuales.

TABLA 1 ACEROS RECOMENDABLES PARA DIFERENTES TEMPERATURAS TEMPERATURA

TEMPERATURA

MATERIAL PARA

CABEZAS Y

EN °C

EN °F

CASCARON

PLANTILLAS DE REFUERZO

* +

-67 a -46.1

-90 a -51

SA-203 B*

SA-203 A

-45.6 a -40.5

-50 a -41

SA-516-65

SA-203 B

-40 a 15.6

-40 a +60

SA-516-70+

SA-516-65

15.6 a 343

+60 a 650

SA-285-C

SA-515-70

344 a 412.8

-651 a +775

SA-515-70

Para espesores mayores de 51 mm llevarán relevado de esfuerzos. Para temperaturas de -20°F llevará relevado de esfuerzos.

5.4.3 SOCIEDADES E INSTITUTOS QUE RIGEN LA SELECCIÓN DE MATERIALES Y FABRICACION DE RECIPIENTES A PRESION A.W.S. (American Welding Society) Proporciona la información fundamental de soldadura, diseño de soldadura, calificación, pruebas e inspección de soldaduras, así como una Guía de la aplicación y uso de la soldadura. A.I.S.C. (American Institute of Steel Construction) Fundado en 1921, su primer manual surgió en 1926, proporciona una Guía y código para maximizar la eficiencia del diseño de acero estructural y seguridad. El código A.I.S.C. contiene ecuaciones de diseño, criterios de diseño y diseños prácticos para acero estructural. Su uso es recomendado para el diseño de

60

edificios, puentes o cualquier estructura de acero, incluyendo aquellas que sirvan como soportes rígidos de tubería. A.N.S.I. (American National Standars Institute) Inicialmente establecida en 1918 como A.S.A. (American Standars Association) cambio su nombre en 1967 a U.S.A.S.I. (U.S.A. Standars Institute) y en 1969 cambio a A.N.S.I. No todos los estándares de U.S. son directamente resueltos por A.N.S.I. El A.S.M.E., A.W.S., y numerosas organizaciones definen los estándares y códigos aplicables a la tubería. A.N.S.I. clasifica la aplicación del sistema de tuberías, bridas, pernos, roscas, válvulas. A.S.T.M. (American Society for Testing and Materials) Fue fundada en 1898 para desarrollar los estándares de la característica y eficiencia de los materiales, productos, suministros de servicios y producir lo relativo a su comportamiento. El Código A.S.M.E., ha tenido que mantenerse al día, dentro del cambiante mundo de la tecnología. Este grupo celebra seis reuniones anuales para adaptar el Código. Las ediciones del Código se hacen cada tres años, la más reciente fue en 1998, conste de once secciones en catorce tomos y son:

Sección

I

Calderas de Potencia (Power Boilers)

Sección

II

Especificaciones de Materiales (Material Specifications) Parte A: Especificaciones de Materiales ferrosos (Ferrous Materials) Parte B: Especificaciones de Materiales no ferrosos. (Non Ferrous Material) Parte C: Especificaciones de materiales de soldadura. (Welding Materials) 61

Sección

III

Plantas de Potencia Nuclear División 1 y División 2 Componentes: Requerimientos Generales (Nuclear Power Plants) División 1 & División 2 (Components: General Requeriments

Sección

IV

Calderas para Calefacción (Heatig Boilers)

Sección

V

Pruebas no Destructivas (Non Destructive Examinations)

Sección

VI

Reglas Recomendadas para el Cuidado y Operación de Calderas para Calefacción (Recommended Rules for Care and Operation of Heating Boilers)

Sección VII

Reglas Sugeridas para el Cuidado de Calderas de Potencia (Recommended Rules for Care of power Boilers)

Sección VIII

División 1: Recipientes a Presión (Pressure Vessels) División 2: Reglas para Diferentes Alternativas Para Recipientes a Presión.

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(Alternative Rules for Pressure Vessels)

Sección

IX

Requisitos de Soldadura (Welding Qualifications)

Sección

X

Recipientes a Presión de Plástico Reforzado y fibra de vidrio. (Fiber Glass Reinforced Plastic Pressure Vessel)

Sección XI

Reglas para Inspección en Servicio de Plantas de Potencia Nuclear. (Rules for Inservice Inspection of Nuclear Power Plants)

Una vez teniendo una idea de lo que es y cómo está formado el Código A.S.M.E., nos enfocaremos a la Sección VIII, ya que es la relacionada con Recipientes a Presión. La Sección VIII del Código A.S.M.E., contiene dos Divisiones, la División 1, que cubre el diseño de los recipientes a presión no sujetos a fuego directo y la División 2, que contiene otras alternativas para el cálculo de recipientes a presión. CODIGO ASME SECCION VIII DIVISION 1 En esta parte del código se establecen los requerimientos mínimos para el diseño, fabricación e inspección y para obtener la certificación autorizada de la ASME para los recipientes a presión. En base a esto se ha dividido en: Subsección A. Parte UG que cubre los requerimientos generales. Subsección B. Requerimientos de fabricación Parte UW.- Para recipientes que serán fabricados por soldadura. Parte UF.- Para recipientes que serán fabricados por forjado 63

Parte UB.- Para recipientes que serán fabricados utilizando un material de relleno no ferroso a este proceso se le denomina "brazing" Subsección C. Requerimientos de materiales Parte UCS.- Para recipientes construidos con acero al carbón y de baja aleación. Parte UNF.- Para los construidos con materiales no ferrosos. Parte UCI.- Para los construidos con fierro fundido. Parte UCL.- Para los construidos con una placa "clad" integral o con recubrimiento tipo "lining". Parte UCD.- Para los construidos con fierro fundido dúctil. Parte UNT.- Para los construidos con aceros ferriticos con propiedades de tensión mejoradas por tratamiento térmico. Parte ULW.- Para los fabricados por el método de multicanas. Parte ULT.- Para los construidos con materiales con esfuerzos permisibles más altos a bajas temperaturas. LIMITACIONES DE LA SECCION VIII, DIVISION 1 El Código A.S.M.E., Sección VIII División 1, especifica claramente algunas limitaciones, entre las principales tenemos: Espesor mínimo.- Se establece que para recipientes construidos en acero al carbón, el espesor mínimo será de 3/32” (2.38 mm.). independientemente de su uso, ya que para algunos usos particulares, se especifican espesores mínimos diferentes. Los recipientes diseñados y construidos bajo este Código, no deberán tener elementos principales móviles, ya sean rotatorios o reciprocantes, razón por la cual se excluyen del alcance del mismo las bombas, compresores, turbinas y cualquier equipo que tenga elementos principales móviles. El volumen mínimo que deberán tener los recipientes a presión diseñados y construidos bajo este Código, deberá ser de 120 galones. La presión mínima a que deberán diseñarse los recipientes será de 15 PSIG (1 atmósfera). El diámetro interior mínimo será de 6”. La presión máxima de diseño será de 3,000 PSIG. 64

Deberán ser estacionarios. Calentadores tubulares sujetos a fuego.

Recipientes a presión que son parte integral de componentes de sistemas de tubería

Tanques que suministran agua caliente bajo las siguientes características: Suministro de calor no mayor de 58,600 W (200,000 Btu/h) Temperatura del agua de 99° c (210°f) Capacidad de 454.3 lt (120 galones)

5.4.4 PROPIEDADES QUE DEBEN TENER Y REQUISITOS QUE DEBEN LLENAR LOS MATERIALES PARA SATISFACER LAS CONDICIONES DE SERVICIO a) PROPIEDADES MECÁNICAS. Al considerar las propiedades mecánicas del material, es deseable que tenga buena resistencia a la tensión, alto punto de cedencia, por ciento de alargamiento alto y mínima reducción de área, con estas propiedades principalmente, se establecen los esfuerzos de diseño para el material en cuestión. b) PROPIEDADES FÍSICAS. En este tipo de propiedades, se buscará que el material deseado tenga bajo coeficiente de dilatación térmica. c) PROPIEDADES QUÍMICAS. La principal propiedad química que debemos considerar en el material que utilizaremos en la fabricación de recipientes a presión, es su resistencia a la corrosión. Este factor es de muchísima importancia, ya que un material mal seleccionado nos causará múltiples problemas, las consecuencias que se derivan de ello son: I.- Reposición del equipo corroído. Un material que no sea resistente al ataque corrosivo, puede corrroerse en poco tiempo de servicio.

65

II.- Sobre diseño en las dimensiones. Para materiales poco resistentes a la corrosión, es necesario dejar un excedente en los espesores, dejando margen para la corrosión, esto trae como consecuencia que los equipos resulten más pesados, encarecen el diseño y además de no ser siempre la mejor solución. ´ III.- Mantenimiento preventivo. Para proteger a los equipos del medio ambiente corrosivo es necesario usar pinturas protectoras. IV.- Paros debidos a la corrosión de los equipos. Un recipiente a presión que ha sido atacado por la corrosión, necesariamente debe ser retirado de operación, lo cual implica pérdidas en la producción. V.- Contaminación o pérdida del producto. Cuando en los componentes de los recipientes a presión se han llegado a producir perforaciones en las paredes metálicas, los productos de la corrosión contaminan el producto, lo cual en algunos casos es costosísimo. VI.- Daños a equipos adyacentes. La destrucción de un recipiente a presión por corrosión, puede dañar los equipos con los que esté colaborando en el proceso. VII.- Consecuencias de tipo social. La falla repentina de un recipiente a presión corroído, puede ocasionar desgracias personales, además de que los productos de la corrosión, pueden ser nocivos para la salud. d) SOLDABILIDAD. Los materiales usados para fabricar recipientes a presión, deben tener buenas propiedades de soldabilidad, dado que la mayoría de sus componentes son de construcción soldada. Para el caso en que se tengan que soldar materiales diferentes entre sí, éstos deberán ser compatibles en lo que a soldabilidad se refiere. Un material, cuantos más elementos de aleación contenga, mayores precauciones deberán tomarse durante los procedimientos de soldadura, de tal manera que se conserven las características que proporcionan los elementos de aleación.

66

5.5 CARGAS Y ECUACIONES DE LOS RECIPIENTES A PRESIÓN A continuación se muestran las cargas a las que se pueden ver sometidos los recipientes a presión, así como también las principales ecuaciones que intervienen en su diseño dependiendo del tipo y forma del mismo.

5.5.1 TIPOS DE CARGAS CATEGORIA DE CARGAS 1.- CARGAS GENERALES. Carga Por Compresión: Presión interna, presión externa, presión de vació, presión de prueba, presión hidrostática, presión de diseño y presión de operación. Cargas por momento: Sismo, montaje, transporte, etc. Cargas de tensión: Compresión, peso propio, equipo instalado, plataforma, tubería, escalera. Cargas térmicas: Viento, sismo, etc. 2.- CARGAS LOGICAS. Radial De corte De tensión Tangencial De momento Térmicas 3.- CARGAS ESTABLES. Por presión Por peso propio Por contenido Por tubería y equipo Por soporte Térmicas 67

Por viento 4.- CARGAS INESTABLES. Por prueba hidrostática Por sismo Montaje Por transportación Térmica Arranque y paro DISCONTINUIDAD DILATACION CRECIMIENTO RADIAL ANÁLISIS DE DISCONTINUIDAD

5.5.2 DISCONTINUIDAD Discontinuidad de esfuerzos en recipientes. Las deformaciones diferenciales ocasionadas por los esfuerzos de membrana, de magnitud variable, a través del recipiente, puede también ocasionar flexión en la pared y aún cuando estos esfuerzos flexionantes son locales pueden ser elevados en magnitud. En la unión cabeza - envolvente, se presente esta discontinuidad debido a que el crecimiento radial en la parte cilíndrica del recipiente no es la misma que en la cabeza cuando el recipiente está presurizado. Esta es la razón por la cual las tapas o cabezas se suministran con una ceja (Sf). La tendencia de la cabeza elíptica a deformarse hacia adentro en la unión bajo presión, da como resultado una fuerza de corte radial hacia el interior del cuerpo, esta fuerza se opone a la presión interna que actúa en dirección opuesta a la envolvente en la unión. Para reducir los esfuerzos locales, se pueden tomar en cuenta las siguientes consideraciones: 1. 2. 3. 4.

Incrementar el tamaño de la ceja Cambiar de forma los esfuerzos Incrementar el espesor localmente de la envolvente Adicionar anillos de refuerzo en forma parcial

68

DEFORMACION EN LA PARTE CILINDRICA Dicha deformación viene dada por la ecuación:

Donde: c = Dilatación del cuerpo (pulg) P = Presión de diseño(psi) Ri = Radio interior del cuerpo(pulg) E = Modulo de elasticidad del material del cuerpo(psi) T = Espesor del cuerpo(pulg) = Modulo de poisson (acero) Los anteriores parámetros fungen como datos de diseño.

DILATACIÓN QUE SUFREN LAS TAPAS Está dada por:

Donde: e = Dilatación de la tapa (pulg) P = Presión de diseño(psi) Ri = Radio interior de la tapa(pulg) E = Modulo de elasticidad del material a = Eje mayor de la tapa b = Eje menor de la tapa = Modulo de poisson

69

5.5.3 ECUACIONES UTILIZADAS EN LOS RECIPIENTES A PRESIÓN CÁLCULO DE TAPAS A continuación se muestran las ecuaciones usadas para calcular los espesores de los tipos de tapas utilizadas con mayor frecuencia. TAPAS PLANAS (1) (2) Las ecuaciones anteriores serán usadas con las siguientes restricciones: 1.- La tapa deberá ser ciega, es decir, no deberá tener aberturas ni boquillas. 2.- Deberá ser circular. 3.- Deberá ser fabricada con alguno de los materiales ferrosos listados en las normas ANSI B-16.5. 4.- Deberá estar entre los rangos de presión y temperatura mostrados en la tabla B-16.5 de las normas ANSI. 5.- El espesor obtenido, de la ecuación correspondiente, deberá considerarse como mínimo y deberá agregarse la tolerancia por corrosión si existiera. 6.- La ecuación (2) se usará para calcular bridas ciegas atornilladas, de acuerdo con los detalles “E” y “F” de la figura No. 4, y se deberán considerar independientemente las condiciones de operación y las condiciones de sello de empaque, usando la mayor de ellas. Para las condiciones de operación, el valor de “P” será dado por la presión de diseño, el valor de “S” se tomará a la temperatura de diseño y el valor de “W” será el que resulte mayor de: ó Para las condiciones de sello del empaque, se tomará P = 0, el valor de “S” a la temperatura ambiente y “W será:

70

Donde: Ab

= Área transversal neta de los tornillos en Pulg.2 (mm2.).

Am

= Área transversal requerida de los tornillos tomada como la que resulte mayor de Am1 y Am2 en Pulg.2 (mm2.).

Am1 = Área transversal neta requerida de los tornillos en condiciones de operaciones en Pulg.2 (mm2.) = Wm1 / Sb Am2 = Área neta de los tornillos = Wm2 / Sa b

= Ancho efectivo de contacto del empaque. (ver figura No. 5)

bo

= Ancho básico del empaque. (ver figura No. 5)

C’

= Constante adimensional que depende de la forma de unión entre la tapa y el cilindro. (ver figura No. 4)

d

= Diámetro medido como se indica en la figura No. 4

E

= Eficiencia de soldaduras. (ver figura No. 1)

G

= Diámetro donde se localiza la reacción del empaque en pulgadas (mm.). (ver figura No. 5)

hg = Brazo de palanca, distancia radial de la línea de centros de barrenos a la línea de reacción del empaque, en pulgadas (mm.). m

= Relación tr/ts adimensional.

P

= Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa).

S

= Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa a tensión y a la temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (KPa).

tr

= Espesor requerido en el cuerpo.

ts

= Espesor real del cuerpo.

Sa

= Esfuerzo máximo permisible del material de los tornillos, a temperatura ambiente en lb/pulg.2 (MPa).

Sb = Esfuerzo máximo permisible del

material de los tornillos, a la 71

temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Mpa). t

= Espesor mínimo requerido en la tapa, sin considerar corrosión, en pulgadas (mm.).

W = Carga total de los tornillos, en libras. (N). y = Carga máxima permisible en el empaque o en la superficie de sello, en lb/pulg.2 (Mpa), su valor depende de la forma y material del empaque. (ver figura No. 6)

TAPAS TORIESFÉRICAS

Donde: P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa) L = Radio de abombado en pulgadas. (mm.). M = Factor adimensional que depende de la relación L/r. (ver tabla) r = Radio de esquina o radio de nudillos, en pulgadas. (mm.). S = Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa a tensión y a la temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa). t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas.(mm). E = Eficiencia de las soldaduras.

Tabla de valores del factor a dimensional M: Tabla 2 VALORES DEL FACTOR “M” L/r

1.00

1.25 1.50

1.75

2.00

2.25

2.50

2.75

M

1.00

1.03

1.06

1.08

1.10

1.13 1.15

1.17

L/r 3.00

3.25

3.50

4.00

4.50

5.00

5.50

6.00

M

1.18

1.20

1.22

1.25

1.28

1.31

1.34

1.36

L/r 6.50

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

9.50

10.0 72

M 1.39

1.41

1.44

1.46

1.48

1.50

1.52

1.54

L/r 10.5

11.0

11.5

12.0

13.0

14.0

15.00

16.0

M

1.58

1.60

1.62

1.65

1.69

1.72

1.75

1.56

TAPAS SEMIELÍPTICAS 2:1

Donde: D = Diámetro interior de la tapa, en pulgadas. (mm.). E = Eficiencia de las uniones soldadas. (ver figura No. 1) P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (kpa) S = Esfuerzo máximo permisible del material de la tapa, a tensión y a la temperatura de diseño en lb/pulg.2 (KPa). t = Espesor mínimo requerido en la tapa sin corrosión, en pulgadas.(mm)

TAPAS SEMIESFÉRICAS

Donde: E = Eficiencia de soldaduras.(ver figura No. 1) P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa). R = Radio interior de la tapa semiesférica, en pulgadas. (mm.). S = Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa).

73

T = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas. (mm.). TAPAS 80:10

Donde: E = Eficiencia de las soldaduras. L = Diámetro interior de la tapa (0.8) en pulgadas. (mm.). P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa). S = Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (Kpa). t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas. (mm.).

TAPAS CÓNICAS

Donde:

D = Diámetro interior mayor, del cono, en pulgadas (mm.). E = Eficiencia de las soldaduras.(ver figura No.1) P = Presión de diseño, en lb/pulg.2 (KPa). S = Esfuerzo máximo permisible, del material de la tapa, a tensión y a la temperatura de diseño, en lb/pulg.2 (KPa). t = Espesor mínimo requerido en la tapa, sin corrosión, en pulgadas.(mm.)

74

TAPAS TORICÓNICAS Se aplica la misma ecuación que para las tapas cónicas, y el espesor de la zona toroidal será determinado por la siguiente ecuación:

Donde:

D1 = Diámetro interior medido perpendicularmente al eje de la tapa y a la altura donde termina la parte cónica y se inicia el radio de nudillos o radio de esquina.

75

76

6. ELABORACION DE PROPUESTAS 6.1 PROPUESTA 1 “MODIFICACIÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA QUE FUNCIONA ÚNICAMENTE CON AIRE QUE ES INYECTADO A TRAVÉS DEL ORIFCIO DE LA BUJÍA”.

6.1.1 ANÁLISIS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS Para hacer el análisis de pérdidas mecánicas debe considerarse el esquema de ambas propuestas, el cual se muestra en la figura 30:

Fig. 30 Esquema básico del sistema de alimentación de aire comprimido

6.1.2 PROCEDIMIENTO Considerando el giro y la disposición del cigüeñal como se muestra en la fig. 31:

Fig. 31 Vista general del sistema cigüeñal-pistón y su respectivo giro

77

Se tienen que tomar en cuenta la velocidad de rotación del eje. Las dimensiones tanto del pistón como lo son el diámetro del mismo y las dimensiones del cigüeñal que de igual forma interesa el diámetro. Para poder determinar la velocidad máxima (Vmax) a la que se moverá el pistón, se debe encontrar la velocidad a la que el mismo se desplaza cuando se encuentra en el punto medio de la carrera ya que tanto en el Punto Muerto Superior (PMS) como en el Punto Muerto Inferior (PMI) la velocidad será igual a cero. Con las ecuaciones:

Donde: v = Es la velocidad máxima a la que se desplaza el pistón. w = Es la velocidad de giro del cigüeñal expresada en rpm r = Es el radio del cigüeñal o brazo donde se apoya la biela del pistón. Conociendo la velocidad máxima se puede conocer el caudal que ingresa en la cámara y que permite dicho movimiento.

Donde: Q = Flujo volumétrico o caudal v = Es la velocidad máxima a la que se desplaza el pistón. A = Área de la cabeza del pistón que es igual a:

Con este valor de caudal se pueden calcular entonces las características de la tubería a partir de las tablas correspondientes: Para ello pueden utilizarse los nomogramas de neumática que pueden verse en anexos con las referencias siguientes: Selección de tuberías Longitudes supletorias o longitudes equivalentes de accesorios

78

Tabla de Longitudes supletorias o longitudes equivalentes de accesorios. Las longitudes de la tubería dependerán tanto de la selección que se haga a partir de las tablas como de la disposición que se haga en la instalación in situ, ya que las características individuales de cada instalación serán determinantes. Ahora a partir de la ecuación de estado y el caudal se puede obtener el flujo másico que se tendrá ya que con la ecuación de estado se puede obtener la densidad con los datos previamente establecidos en el análisis termodinámico. Con esto pueden obtenerse las variaciones de densidad que permiten calcular las pérdidas entre los diferentes puntos que componen el sistema con la ecuación de Energía de flujo.

6.1.3 EJEMPLO DE CÁLCULOS Con los datos de velocidad de giro y radio del cigüeñal del motor y la ecuación:

Tendremos: la velocidad lineal del pistón, misma que servirá en la ecuación:

Para obtener el caudal junto con el área que se conocerá previamente (se aclara que el llenado del pistón no es flujo másico permanente) y así con las tablas de selección de tubería y longitudes equivalentes se tienen los datos de:  Diámetro de tuberías  Longitud de tuberías conocido  Longitudes equivalentes para los accesorios que se utilizan y que se representan en los respectivos esquemas. Posteriormente considerando al aire como un gas ideal y con la ecuación de estado para gases ideales:

Donde: P = Presión a la que se encuentra el gas en el punto de análisis v = Volumen especifico m = Masa del gas R = Constante del aire que es igual a 0.287 kJ/kg T = Temperatura a la que se encuentra el gas en el punto de análisis. Expresándola de la siguiente forma: 79

Donde: ρ = Es la densidad que presenta el gas para esas condiciones Se encuentra la densidad para las condiciones entre los puntos de análisis, los valores de P, R y T serán conocidos a partir del análisis termodinámico realizado previamente. Con las condiciones definidas para cada punto y haciendo las consideraciones de la ecuación de energía de flujo que: Entre 2 puntos cualesquiera 1 y 2 hay:

Ordenando:

Así:

Donde: E1 = Energía en el punto 1 Eagregada = Energía que se agrega para poder llegar al punto 2 E2 = Energía en el punto 2 Eperdida = Energía que se pierde por fricción y/o perdidas mecánicas Hs = Presión estática del fluido presión en reposo v = velocidad en el punto 1 g = gravedad He = Elevación Hp = Presión agregada por la bomba, ventilador o compresor. 80

Hf = Perdidas de presión en la tubería por fricción. Además es de tomar en cuenta los siguientes aspectos:  La elevación puede considerarse mínima  No hay presión agregada ya que como es un proceso de descarga no se utiliza el compresor para impulsar el aire sino solo para llenar el tanque.  Se consideran estáticas ambas presiones tanto en el tanque como en la salida Y es de esta manera como se puede calcular las perdidas mecánicas en el sistema. Este método de análisis es válido tanto para la propuesta 1 como para la propuesta 2, es importante hacer ver que para la propuesta 2 solo deberá considerase además la pre cámara de inyección de aire y las tres tuberías ya que para la propuesta 1 solo se cuenta con un cilindro mientras que para la propuesta 2 se tendrán 3.

6.1.4 DESCRIPCIÓN Y ANALISIS TERMODINÁMICO DE LA PROPUESTA 1 Modificación de un motor de combustión interna mono cilíndrico de cuatro tiempos a un motor de combustión interna que trabaje únicamente con inyección de aire. Modificaciones  Sustitución de la bujía por una entrada de aire o alimentación de aire. Descripción del funcionamiento Procedimiento: El funcionamiento del sistema para tener una mejor comprensión se divide en 5 etapas y a continuación se describe cada una de ellas.  Etapa A: Alimentación  Etapa B: Apertura y cierre  Etapa C: Regulación 1  Etapa D: Regulación 2  Etapa E: Inyección

81

Etapa A: Alimentación La etapa de alimentación es la que provee el aire a la presión requerida para llevar a cabo el funcionamiento en todo el sistema. La admisión de aire hacia el sistema se da gracias al compresor ubicado en la estación fija. El compresor a utilizar deberá tener una capacidad de presión alta; al garantizar un valor de presión tan alto debido a las pedidas que se tengan en el sistema, se tratará la manera de lograr la presión requerida en la etapa final de inyección. Etapa B: Apertura y cierra Esta etapa únicamente se dará el paso de aire hacia el sistema mediante una válvula de paso. Esta se abrirá completamente cuando se haga trabajar al sistema y se cerrara por completo ya sea para desacoplar el equipo o eliminar el paso de aire en este. Etapa C: Regulación 1 Para dicha etapa contaremos en esta con una electroválvula, la cual se encargara de mantener el sistema a la presión requerida. Etapa D: Regulación 2 Acá se produce el efecto “acelerador”, siendo este necesario para controlar la velocidad del motor. En esta fase se regulara el caudal y la presión del aire según las exigencias que el usuario requiera para el motor. Etapa E: Inyección La inyección se hará en el orificio diseñado para acoplar la bujía en el motor. El aire inyectado hacia la cámara de combustión vendrá suministrado desde el sistema de alimentación. La carrera del cilindro se encontrara regulada de tal forma que la admisión del aire y la salida de este de la cámara sean en el momento requerido. El valor de presión utilizado para esta etapa para lograr el desplazamiento del cilindro es bajo comparado con la presión que se tenga en el alimentador. El flujo de aire se inyecta al inicio de la carrera de potencia, es decir con el pistón en el punto muerto superior (PMS) y la inyección finaliza cuando el 82

pistón llega al final de la carrera de potencia o sea en el punto muerto inferior (PMI), o mejor dicho a 180º después del inicio. Como en todo motor normal, 10º ó 15º antes de llegar el pistón a punto muerto inferior se abre la válvula de escape e inicia la carrera de escape, para evacuar el aire usado. Análisis termodinámico Para llevar a cabo el análisis termodinámico en el sistema se partió para la etapa de alimentación de los valores de presión y temperatura ambiente. Es decir 101.325 Kpa y 300 K respectivamente. Para realizar el análisis se inicia considerando un proceso isentrópico. Siendo entonces necesario utilizar relaciones de presión, presiones relativas y las tablas de aire. La ecuación utilizada en esta parte fue:

Obteniendo así con la ecuación utilizada el valor de temperatura

; el cual nos

servirá como parámetro de inicio junto a otras variables y datos conocidos para la siguiente etapa (apertura y cierre). Utilizando la ecuación de estado del gas ideal temperatura

el valor de

encontrado, la presión requerida en el sistema, el volumen

requerido en el cilindro y la constante universal de los gases se obtendrá la masa m de aire contenida en el cilindro. Realizando un procedimiento similar para los tramos siguientes en el sistema, es decir; encontrando valores de energía interna U, entalpia h, temperatura T, presión P y presiones relativas Pr para esta etapa. Basándonos en los datos obtenidos, en la etapa anterior se procede a calcular el valor de la disponibilidad a la entrada y a la salida de cada accesorio así como la eficiencia de cada uno de estos. El valor de disponibilidad a la entrada y a la salida en cada accesorio se calculara con: 83

Siendo: 

el valor de temperatura ambiente al que se encuentra expuesto cada accesorio



y

los valores obtenidos a partir de

 h y s los valores de entalpia y entropía encontrados a partir de los datos obtenidos en el análisis Finalmente el valor de eficiencia

de cada accesorio se encuentra como:

Con los cálculos que se obtengan, se podrá hacer una buena aproximación en la selección de componentes y determinar otras características de importancia para el sistema.

6.1.5 DETALLE DEL SISTEMA PROPUESTO Para este caso en donde se tiene que introducir el aire a presión a través del lugar en donde iba instalada la bujía. Para esto es necesario sellar el lugar donde se sitúa la válvula de admisión; se necesita disponer de una unidad de control que tome parámetros de señales del sensor de posición y del temporizador. El sensor de posición indicará en qué el pistón se encuentra en la posición correcta para empezar la carrera de trabajo (es decir el PMS), mientras que el temporizador servirá para saber cuál es el momento adecuado para realizar la inyección del aire. La unidad de control procesa las señales y envía una orden para activar la electroválvula. Cabe aclarar que este control se adecúa perfectamente a un motor monocilíndricos de 4 tiempos, sin embargo puede extenderse a motores policilíndricos pero realizando el adecuado control de las señales para la unidad de control. El mejor lugar para situar el sensor y el temporizador, es el volante (Fig. 32):

84

Fig. 32 Ubicación del sensor y temporizador para controlar el sistema de alimentación.

Además es necesario aclarar que cuando son motores policilíndricos, se necesitará disponer también de un riel en el cual se almacene el aire comprimido (Fig. 33), es decir desempeñará la función de otro acumulador de aire, esto con el objetivo de minimizar las pérdidas de presión durante la inyección de aire al cilindro:

Fig. 33 Ubicación del riel de almacenamiento de aire presurizado al sistema propuesto.

85

6.2 PROPUESTA 2 “MODIFICACIÓN DE UN MOTOR DE COMBUSTIÓN QUE FUNCIONA ÚNICAMENTE CON AIRE QUE ES INYECTADO A TRAVÉS DEL MÚLTIPLE DE ADMISIÓN MEDIANTE UNA PRECÁMARA”.

6.2.1 ANÁLISIS DE PÉRDIDAS MECÁNICAS Para hacer el análisis de pérdidas mecánicas debe considerarse el esquema (fig. 34) de ambas propuestas el cual se muestra a continuación:

Fig. 34 Esquema básico del sistema de alimentación de aire comprimido

6.2.2 PROCEDIMIENTO Considerando el giro y la disposición del cigüeñal como se muestra en la fig. 35:

Fig. 35 Ubicación del giro del conjunto cigüeñal-pistón

86

Se tienen que tomar en cuenta: La velocidad de rotación del eje Las dimensiones tanto del pistón como lo son el diámetro del mismo y las dimensiones del cigüeñal que de igual forma interesa el diámetro. Para poder determinar la velocidad máxima (Vmax) a la que se moverá el pistón, se debe encontrar la velocidad a la que el mismo se desplaza cuando se encuentra en el punto medio de la carrera ya que tanto en el Punto Muerto Superior (PMS) como en el Punto Muerto Inferior (PMI) la velocidad será igual a cero. Con las ecuaciones:

Donde: v = Es la velocidad máxima a la que se desplaza el pistón. w = Es la velocidad de giro del cigüeñal expresada en rpm r = Es el radio del cigüeñal o brazo donde se apoya la biela del pistón. Conociendo la velocidad máxima se puede conocer el caudal que ingresa en la cámara y que permite dicho movimiento.

Donde: Q = Flujo volumétrico o caudal v = Es la velocidad máxima a la que se desplaza el pistón. A = Área de la cabeza del pistón que es igual a:

Con este valor de caudal se pueden calcular entonces las características de la tubería a partir de las tablas correspondientes: Para ello pueden utilizarse los nomogramas de neumática que pueden verse en anexos con las referencias siguientes: Selección de tuberías Longitudes supletorias o longitudes equivalentes de accesorios

87

Las longitudes de la tubería dependerán tanto de la selección que se haga a partir de las tablas como de la disposición que se haga en la instalación in situ, ya que las características individuales de cada instalación serán determinantes. Ahora a partir de la ecuación de estado y el caudal se puede obtener el flujo másico que se tendrá ya que con la ecuación de estado se puede obtener la densidad con los datos previamente establecidos en el análisis termodinámico. Con esto pueden obtenerse las variaciones de densidad que permiten calcular las pérdidas entre los diferentes puntos que componen el sistema con la ecuación de Energía de flujo.

6.2.3 PROCEDIMIENTO PARA CALCULAR LA MASA QUE ENTRA AL CILINDRO

Fig. 36 Análisis cinemático del movimiento del pistón.

Se procede a calcular la velocidad máxima del pistón, la cual viene determinada por:

88

Se calcula un tiempo, el cual se puede saber en base a las rpm máximas del motor, pues para completar un ciclo de trabajo se necesitan 2 revoluciones del motor. Estas condiciones serán críticas. Por ejemplo, a 6000 rpm tendremos 3000 ciclos, por lo cual un ciclo durará 60s/3000=0.02 s/ciclo. Con lo anterior ya se puede calcular una velocidad máxima. El llenado del motor, es decir la masa de mezcla que ingresa a el se determina de la manera siguiente:

Donde: : Volumen de aire real admitido en el motor. V: volumen de aire teórico admitido en el motor. : Masa de aire que ingresa al motor. : Densidad del aire de admisión que ingresa al motor. D: desplazamiento volumétrico de n cilindros La eficiencia volumétrica es la efectividad que pueden alcanzar los motores en el llenado del cilindro así como en la salida de los gases producto de la combustión, es decir, que la misma se encuentra asociada principalmente a los sistemas de alimentación y de escape, los cuales son determinantes en buena medida de la potencia. El valor de eficiencia volumétrica viene dado por los fabricantes del motor. Con el valor encontrado de la masa que ingresa al motor, se divide entre el tiempo máximo y tendremos el flujo de masa que está ingresando al motor bajo esas condiciones. Cuando no tenemos el flujo exacto, podemos utilizar la regla general de potencia (HP) x 2.5, con lo cual se obtendrá un flujo aproximado pero en unidades de volumen sobre tiempo.

Si queremos calcular los CFM (Pies Cúbicos por Minuto) especifico para un motor a 4 tiempos podemos multiplicar las pulgadas cubicas de cilindrada por 89

las máximas revoluciones anticipadas, dividir esto por 3456, y multiplicarlo por la eficiencia volumétrica.

La eficiencia volumétrica es un factor determinado por la eficiencia del turbo, los sistemas electrónicos de inyección y variación de aperturas de válvulas Un motor a gasolina con carburador normalmente tiene una eficiencia volumétrica de 0.70 a 0.80, pero buenos controles electrónicos pueden subir ese valor a más de 2.0. Un motor a diesel (2 tiempos o 4 tiempos) tiene una eficiencia volumétrica de 0.90. Un Turbo sube la eficiencia volumétrica a 1.50 a 3.00. Cuando no conocemos ese valor, se recomienda el uso de 3.00. Para el caso de que el aire a presión se introduzca a la entrada del múltiple (fig. 37) de admisión, tendremos:

Fig. 37 Esquema del sistema de alimentación propuesto

90

En el lugar donde normalmente va el carburador, se coloca una abrazadera para llevar a cabo el acoplamiento de la manguera de aire a presión que viene desde el tanque de almacenamiento del sistema, esto debe asegurar que no exista desacople, lo cual tendría efectos negativos en el sistema. Para el caso de varios cilindros, se dispone de una electroválvula por cada ducto que conduce a determinado cilindro, la cual puede funcionar perfectamente con señales del volante o con el del árbol de levas. En la fig. 38 nótese como sería el dispositivo:

Fig. 38 Ubicación de las electroválvulas

Se necesita disponer de una unidad de control que tome parámetros de señales del sensor de posición y del temporizador. El sensor de posición indicará en qué el pistón se encuentra en la posición correcta para empezar la carrera de trabajo (es decir el PMS), mientras que el temporizador servirá para saber cuál es el momento adecuado para realizar la inyección del aire. La unidad de control procesa las señales y envía una orden para activar la electroválvula. Cabe aclarar que este control se adecúa perfectamente a un motor monocilíndricos de 4 tiempos, sin embargo puede extenderse a motores policilíndricos pero realizando el adecuado control de las señales para la unidad de control. El mejor lugar para situar el sensor y el temporizador, es el volante: 91

Además es necesario aclarar que cuando son motores policilíndricos, se necesitará disponer también de un riel (fig. 39) en el cual se almacene el aire comprimido, es decir desempeñará la función de otro acumulador de aire, esto con el objetivo de minimizar las pérdidas de presión durante la inyección de aire al cilindro:

Fig. 39 Ubicación del riel donde se almacena el aire a presión.

Normalmente, el trabajo de las levas en un motor de 4 tiempos funcionando con combustible se efectúa de la siguiente manera (fig.40):

Fig. 40 Movimiento y ubicación de las levas de un motor.

Donde puede verse que se tiene una separación de 90º en el giro en el sentido de las agujas del reloj, con lo que se producen las carreras de admisión, compresión, potencia y escape respectivamente. 92

Con la modificación, el motor quedaría trabajando siempre como un motor de 4 tiempos, teniendo una subida y bajada donde habrá admisión seguido de escape en las primeras dos carreras del pistón y quedando con dos carreras en vacio hasta la próxima inyección. La modificación consistirá en el desplazamiento angular del pistón dejándolo como se muestra en la siguiente figura, siempre con una diferencia de 90º con el giro del eje en el sentido de las agujas del reloj, pero iniciando como se muestra:

Fig. 41 Sistema de levas modificado

6.2.4 EJEMPLO DE CÁLCULOS Con los datos de velocidad de giro y radio del cigüeñal del motor que vaya a modificarse y la ecuación:

Tendremos: la velocidad de lineal del pistón, misma que servirá en la ecuación:

Para obtener el caudal junto con el área del pistón que se conocerá previamente y así con las tablas de selección de tubería y longitudes equivalentes se tienen los datos de:  Diámetro de tuberías  Longitud de tuberías  Longitudes equivalentes para los accesorios que se utilizan y que se representan en los respectivos esquemas.

93

Posteriormente considerando al aire como un gas ideal y con la ecuación de estado para gases ideales:

Donde: P = Presión a la que se encuentra el gas en el punto de análisis v = Volumen especifico m = Masa del gas R = Constante del aire que es igual a 0.287 kJ/kg T = Temperatura a la que se encuentra el gas en el punto de análisis. Expresándola de la siguiente forma:

Donde: ρ = Es la densidad que presenta el gas para esas condiciones Se encuentra la densidad para las condiciones entre los puntos de análisis, los valores de P, R y T serán conocidos a partir del análisis termodinámico realizado previamente. Con las condiciones definidas para cada punto y haciendo las consideraciones de la ecuación de energía de flujo que: Entre 2 puntos cualesquiera 1 y 2 hay:

Ordenando:

Así:

94

Donde: E1 = Energía en el punto 1 Eagregada = Energía que se agrega para poder llegar al punto 2 E2 = Energía en el punto 2 Eperdida = Energía que se pierde por fricción y/o perdidas mecánicas Hs = Presión estática del fluido presión en reposo v = velocidad en el punto 1 g = gravedad He = Elevación Hp = Presión agregada por la bomba, ventilador o compresor. Hf = Perdidas de presión en la tubería por fricción. Además es de tomar en cuenta los siguientes aspectos:  La elevación puede considerarse mínima  No hay presión agregada ya que como es un proceso de descarga no se utiliza el compresor para impulsar el aire sino solo para llenar el tanque.  Se consideran estáticas ambas presiones tanto en el tanque como en la salida Y es de esta manera como se puede calcular las perdidas mecánicas en el sistema. Este método de análisis es válido tanto para la propuesta 1 como para la propuesta 2, es importante hacer ver que para la propuesta 2 solo deberá considerase además la pre cámara de inyección de aire y las tres tuberías ya que para la propuesta 1 solo se cuenta con un cilindro mientras que para la propuesta 2 se tendrán 3.

6.2.5 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS TERMODINÁMICO MODIFICACIONES Se modifica el eje de levas en la leva de escape, de tal forma que después de abrir la válvula de admisión exactamente con el pistón en PMS inicie el ingreso de aire y finalice con el pistón en PMI o sea 180º después. A los 170º antes que finalice la carrera de admisión se debe abrir la válvula de escape y cerrarse 360º después.

95

FUNCIONAMIENTO Todo el sistema se mantiene, lo que se busca es lograr con la modificación del árbol de levas es hacer el ciclo de admisión y escape en 2 tiempos; para el caso de la válvula de admisión se adecuará colocando una válvula check que permita poder inyectar sin tener contraflujo de aire, y la cavidad de la bujía se debe retirar ya que podría representar fugas de presión. Así al admitir el aire a presión, el pistón se impulsará hacia abajo y podrá regresar gracias a la inercia y subirá también al lograr evacuar el aire para que no represente obstáculo alguno DESCRIPCION DE LA PROPUESTA PROCEDIMIENTO:     

ETAPA “A”: ALIMENTACIÓN ETAPA “B”: APERTURA Y CIERRE ETAPA “C”: REGULACION 1 ETAPDA “D”: REGULACION 2 ETAPA “E”: INYECCIÓN

DESCRIPCIÓN GENERAL: 1. ETAPA DE ALIMENTACIÓN En esta etapa se provee aire presurizado para poder alimentar a todo el sistema, y por ende al cilindro del motor. La provisión de aire es gracias al compresor principal ubicado en una estación fija, dicho compresor debe tener alta capacidad de presión, con esto se pretende disminuir la pérdidas para cuando alimente al cilindro de almacenamiento, el cual fungirá como “tanque de combustible” y lo abastecerá durante todo el funcionamiento del mismo. 2. ETAPA DE APERTURA Y CIERRE. Es aquí donde se abre o cierra el paso al aire comprimido a la tubería, dependiendo del requerimiento del usuario, se utiliza una válvula de paso o de globo. 3. ETAPA REGULACIÓN “1” En esta etapa existe una electroválvula la cual se calibra a una presión determinada, según el requerimiento del motor. Esta válvula puede modificarse en cuanto al valor de presión de trabajo deseado. 4. ETAPA REGULACION “2” Es aquí donde se produce el efecto “acelerador” con el cual se controla la velocidad del motor. Se regula el caudal y presión de paso del aire comprimido. 96

5. ETAPA “INYECCIÓN” Esta es la etapa más crucial en todo el sistema pues es aquí donde se alimentan a los cilindros para su posterior accionamiento. Para este caso se inyecta aire presurizado a lo que es la entrada del múltiple de admisión, es decir se elimina el carburador y se hermetiza todo el múltiple. Para que ingrese el aire a presión a cada cilindro, es necesario disponer de un correcto control y sincronización de la apertura y cierre de las válvulas, es decir se necesitaría modificar el árbol de levas en todo caso. En el proceso normal de funcionamiento del motor, cuando se abre la válvula de admisión y el pistón en PMS se inicia la inyección de aire y finaliza cuando el pistón llega al PMI, o sea 180º después. A los 170º antes que llegue el psitón al PMI se abre la válvula de escape e inicia la evacuación del aire hasta llegar el pistón al PMS (360º). ANÁLISIS TERMODINÁMICO El inicio del análisis termodinámico se da desde la etapa de alimentación, tomando como referencia los datos de presión y temperatura ambiente (101.325 KPa y 300 K). Es necesario considerar un proceso isentrópico utilizando las relaciones de presión y presión relativa, y las tablas termodinámicas de aire. La ecuación utilizada es la siguiente:

Con la ecuación anterior, se encuentra la presión P r1, entrando a tablas con dicho valor, y se logrea encontrar el valor de T 1. Al tener el valor de T 1, se utiliza la ecuación de estado del gas ideal:

Con la ecuación anterior se encuentra la masa de aire contenida en el cilindro (v es el volumen requerido del cilindro). Para los tramos siguientes, se realiza un proceso similar, encontrando valores de variables como energía interna (U), entalpía (h), temperatura (T), presión (P) y presiones relativas (Pr) según lo demande cada etapa con los datos disponibles. Los valores determinados anteriormente son la base para el posterior cálculo de eficiencias y disponibilidad, esto con el objetivo de determinar las pérdidas, las cuales son de vital importancia para la selección de componentes. 97

Las ecuaciones de eficiencia y disponibilidad son, respectivamente: y

Con los cálculos que se obtengan, se podrá hacer una buena aproximación en la selección de componentes y determinar otras características de importancia para el sistema.

98

CONCLUSIONES 1. Resulta más práctico, el modificar lo que es el sistema de alimentación a través del orificio de la bujía (primera propuesta), pues presenta menos pérdidas en el sistema, sin embargo existe una dificultad muy grande, la cual es lograr que la sincronización de apertura de las válvulas sea bastante precisa, pues de no ser así se corre el riesgo de frenar el motor con una contrapresión. 2. Cuando se pretende construir el sistema alimentado a través del orificio del carburador (segunda propuesta), es notorio que cuando se atraviese todo el múltiple de admisión existirán pérdidas de presión de aire, sin embargo, este sistema se logra una mejor precisión en cuanto al control del ingreso y salida del aire comprimido de los cilindros.

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BILIOGRAFIA

http://www.monografias.com/trabajos3/recip/recip.shtml http://www.estrucplan.com.ar/articulos/verarticulo.asp?idarticulo=1287 http://www.cab.cnea.gov.ar/enief/dirjobs/S09/PCiancio_final.pdf http://www.ing.ucv.ve/Web_Ingenieria_Programas_10/EMecanica/Disep df/4819_Dise%C3%B1o_mecanico_recipiente_presion.pdf http://www.taringa.net/posts/ebooks-tutoriales/3918386/Dise%C3%B1oY-C%C3%A1lculo-De-Recipientes-a-Presi%C3%B3n---J_-M_-L_%5B4S%5D.html http://www.pdfgratis.org/Calculo-de-recipientes-a-presion http://www.almuro.net/sitios/Mecanica/Motor.asp?sw04=1#partes http://www.sabelotodo.org/automovil/camaras.html http://ing.unne.edu.ar/pub/camaras_comb.pdf Obert, Edward. “Motores de Combustión Interna”. Vigésima tercera reimpresión.

Editorial CECSA.

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