Equipos en termodinámica
UNIVERSIDAD
DE LOS ÁNGELES
LIC.
INGENIERÍA EN MECATRÓNICA
MATERIA: TERMODINÁMICA
EQUIPOS
EN TERMODINÁMICA
ALUMNA:
KARLA DANIELA SERRANO CASTILLO
INDICE
¿Entonces cuál de los métodos para evitar la interrupción del
flujo del vapor es el más adecuado?
Introducción
a la termodinámica
Calderas
Las calderas de vapor en términos simplificados
son aparatos en los que se por medio de transferencia de calor se hace hervir
agua pasando de estala liquido a gaseoso (vapor). El calor necesario para
calentar y vaporizar el agua puede ser suministrado por un hogar o cámara de
fuego suministrado por quemadores teniendo como materia prima de combustión el
combustible tal como ACPM o Querosene o puede ser debido a gases calientes
recuperados de la salida de otro industrial.
El
hogar o cámara de combustión, lugar en el cual se origina y se desarrolla el
proceso de generación de la llama. Esta cámara de combustión es el elemento de
más y de gran importancia en las calderas piro tubulares, debido que aquí se
transfiere la mayor parte de calor hacia el agua. Por medio de los siguientes
métodos:
·
Calor
indirecto, es decir que el vapor no entra en contacto con el fluido a procesar,
más bien lo realiza a través de serpentines, intercambiadores de calor y
chaquetas de vapor (marmitas, tanques de combustible residual, etc.).
·
Calor
directo por el cual las aplicaciones del vapor son directamente sobre el fluido
a procesar (proceso de cocción del pescado).
· Calentamiento de aire por medio de radiadores que calienta aire para sistemas de calefacción de ambientes o para secado de productos (equipos de lavandería).
Respecto
a la configuración de la cámara de combustión horizontal, según el código ASME
PFT-15; puede ser de los siguientes tipos:
·
Cilindro
liso: Conformado por las planchas roladas y soldadas en sus extremos a las
placas tubos y superficie exterior lisa.
·
Tipo
Adamson: Conformado por tramos cilíndricos, pero unidos entre sí en forma de
bridas soldadas.
·
Cilindro
reforzado con anillos: Es un cilindro liso, pero con anillos soladados a lo
largo de la superficie del Flue.
·
Cilindro
corrugado: El tipo de cámara de combustión que se adopta mejor a estos
requerimientos es el tipo corrugado, siendo la tendencia industrial actual de
emplear este tipo de diseño en calderas de mayor capacidad, por su mayor
superficie calefactora y en calderas de mayor capacidad, por su mayor
superficie calefactora y en calderas de mayor presiòn, debido a que las
ondulaciones sirven de refuerzo, permitiendo al flue sea de mayor diámetro y
estas ondulaciones absorben esfuerzos térmicos de dilatación.
El
flue del tipo corrugado tiene el inconveniente respecto al Flue liso de tener
un proceso de fabricación mas complicado más complicado y costoso.
La caldera propiamente dicha, conformada por un cuerpo cilíndrico de chapa de acero con dos tapas planas, denominados placa-espejo. Dicho cilindro contiene un determinado volumen de agua y vapor llamado Cámara de Agua y Vapor, que recibe calor que le ceden los productos de la combustión a través de las placas, tubos y cámara de combustión o de fuego.
El agua que se vaporiza ocupa la parte superior del cuerpo cilíndrico de la caldera. La unión entre las fases estado líquido y el vapor, denominadas “Superficie de desenganche”
El agua nunca debe dejar al descubierto las partes que se encuentran en contacto con la llama o con los gases calientes por el peligro que ello entraña, llevando al recalentamiento de las chapas con posibilidad de rotura y su consiguiente explosión, ocasionando daños de alto material.
El
nivel de agua también determina la cámara de vapor, el cual constituye el
volumen de almacenamiento de vapor en la caldera y teniendo como marco de
referencia el diseño del equipo. Un volumen alto tiene como significado el
poder responder mejor a las fluctuaciones de demanda de vapor, que teniendo una
cámara de menor capacidad. Así también, al tener una cámara de vapor pequeña,
está produce arrastre de líquido hacia la línea de salida de vapor, teniendo un
vapor contaminado por residuos de agua.
El
conductor de humos o tubos de fuego es por donde los productos de la combustión
salen del último paso de tubos para pasar a la chimenea. Dichos productos se
mueven impulsados por el tiro que crea la chimenea (tiro natural) o por medio
de ventiladores (tiro forzado).
El
quemador, la cual produce la combustión con el aire, que libera la energía
correspondiente, estos existen para un solo tipo de combustible o duales.
Intercambiadores de calor
Los
Intercambiadores de calor son equipos diseñados y construidos para intercambiar
calor de un fluido caliente a un fluido frío sin que estos se mezclen. Esta
transferencia de calor o intercambio de energía se debe, fundamentalmente, a la
diferencia de temperaturas entre los dos fluidos.
Los
intercambiadores fabrican como
-
Casco
y tubos
-
Intercambiadores
tipo placas
-
Radiadores
de extendida,
Etc.
-
Intercambiadores
de calor tipo casco y tubos de acero inoxidable
Intercambiadores
de calor ampliamente utilizados las en química, y industrias: alimenticia, farmacéutica
para diversas aplicaciones.
Intercambiadores de calor tipo bayonetas en forma de “u”
Haz
de tubos en forma de «U» con espejo. Se encuentran frecuentemente dentro de
tanques o intercambiadores de calor; y su aplicación habitual es como
calentadores de grandes volúmenes de un fluido utilizando vapor o aceite
térmico.
Intercambiadores de calor tipo enfriadores de aceite
Instalación
para evitar la interrupción del flujo a través de un purgador de vapor
Es posible
hacer una instalación para evitar la interrupción del flujo a través de un
purgador de vapor, que permita asegurar que la presión del vapor se mantenga
constante y no descienda nunca por debajo de la contrapresión, además de
permitir que el condensado pueda descargarse.
Ante
todo, es necesario explicar que este es el tercer método para evitar la
interrupción del flujo en sistemas de vapor y que se puede llevar a cabo de dos
maneras:
La
primera de ellas es a través de un purgador de vapor con válvula de control de
temperatura en el circuito del secundario, tal y como se muestra en la
siguiente figura:
Este
método para evitar la interrupción del flujo a través de un purgador de vapor,
requiere que el control de temperatura se realice con una válvula desviadora o
mezcladora de tres vías en el circuito secundario. El suministro de vapor los
intercambiadores de calor se mantienen a presión constante, normalmente menos
de 1 bar r, con una válvula reguladora de presión y, de este modo, siempre es
posible desalojar el condensado del intercambiador de calor frente a una
contrapresión inferior.
La otra vía para evitar la interrupción del flujo a través de un
purgador de vapor es mediante la aplicación una válvula modulante en la línea
de descarga de condensado, como se muestra a continuación:
La descarga del condensado se logra mediante una válvula modulante en la
línea de descarga del condensado. Este método también mantiene la presión de
vapor deseada en el espacio vapor con independencia de las condiciones de
carga.
Sin embargo, fomenta (en lugar de eliminar) el anegamiento del
intercambiador de calor, ya que el control se obtiene inundando voluntariamente
el espacio vapor con condensado a medida que se reduce la carga. Normalmente
este método solo se considera si:
- La
carga de calor es estable o varía muy despacio,
- El
intercambiador de calor está diseñado para resistir los efectos del
anegamiento, o
- La
probable estratificación de temperaturas del fluido secundario es
aceptable.
No
debe usarse un control todo/nada con intercambiadores de calor
Una
válvula de control de temperatura en modo de control todo o nada para sistemas
de vapor no modula en función de la carga de calor, sino que está totalmente
abierta o totalmente cerrada. Un ejemplo sería una electroválvula. Cuando está
abierta, se mantendrá toda la presión del vapor en el intercambiador de calor
para desalojar el condensado frente a la contrapresión.
A
primera vista, este método de control parece solventar cualquier problema de
contrapresión, pero no se recomienda en procesos como los intercambiadores de
calor, donde el fluido en el secundario debe calentarse hasta su temperatura
requerida al circular a través de él.
¿Entonces cuál de los
métodos para evitar la interrupción del flujo del vapor es el más adecuado?
El tipo más apropiado de purgador de vapor para equipos de intercambio
de calor en general y especialmente si es probable una interrupción del flujo
es un purgador de vapor de boya con eliminador de aire termostático integrado.
Si existe la posibilidad de experimentar interrupción del flujo, una
bomba-purgador es normalmente la forma más eficaz para controlarla, porque
además es sencilla, económica y compacta.
La siguiente figura muestra una instalación real y detallada de una
bomba-purgador APT14:
Turbinas de vapor
Tipos
de turbinas de vapor
-Turbina de vapor de reacción: En la
turbina de reacción la energía o mecánica se obtiene de la
aceleración del vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos
grupos de palas, unas móviles y las otras fijas. Las palas fijas están
colocadas de forma que cada par actúa como una boquilla a través de la cual
pasa el vapor mientras se expande, llegando a las palas de las turbinas de
reacción, que se montan en un tambor que actúa como eje de la turbina.
En
la turbina de reacción se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento
consiste en producir una gran caída de presión en un grupo de toberas y
utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea
necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida de
la primera etapa para que entre en un segundo rodete.
 |
-Turbina de vapor de
acción: Una turbina de vapor de acción con un
escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de:
-Un distribuidor fijo, compuesto
por una o varias toberas, cuya misión es transformar la energía térmica del
vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente (reacción), en
energía cinética.
-Una corona móvil, fija sobre un
eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por objeto transformar
en energía mecánica de rotación, la energía cinética puesta a su
disposición.
Su funcionamiento
consiste en impulsar el vapor a través de las toberas fijas hasta alcanzar las
palas, que absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo
que hace girar el rotor y con ella el eje al que está unida. Las turbinas de acción
habituales tienen varias etapas, en las que la presión va disminuyendo de forma
escalonada en cada una de ellas.
-Turbina monoetapa: Se
utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de más simple
construcción son las más robustas y seguras, además de acarrear menores costes
de instalación y mantenimiento que la multietapa.
-Turbina multietapa: El
objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la
velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes próxima al valor
optimo con relación a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presión
de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, sería necesario que la turbina
girase a una velocidad muy alta, que no sería viable mecánicamente por las
dimensiones que debería tener el reductor (caja de engranajes que ajustaría la
velocidad final del eje a la deseada).
Consiguen mejores
rendimientos que las monoetapa, además pueden absorber flujos de vapor de mucha
mayor presión, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen
utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de acción y las finales de reacción.
-Turbina de flujo axial: Es el método más utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un
cono que tiene el mismo eje que la turbina.
-Turbina de flujo radial: El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares
al eje de la turbina.
-Turbina con extracción de vapor: Se realiza en etapas de alta presión, enviando parte del vapor de vuelta
a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas
ocasiones el vapor también puede ser extraído de alguna etapa para derivarlo a
otros procesos industriales.
-Turbina de contrapresión: La presión del vapor a la salida de la turbina es superior a la
atmosférica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor,
obteniéndose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento
térmico posterior.
-Turbinas de condensación: El
vapor sale a una presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un
mayor aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de
refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de gran
potencia que buscan un alto rendimiento.
Turbina de gas
Un motor
de turbina de gas es un tipo de motor de combustión interna. Básicamente, el
motor es como un dispositivo de conversión de energía, que transforma la
energía almacenada en el combustible en energía mecánica útil en forma de
potencia de rotación. El término "gas" se refiere al aire ambiente
que se introduce en el motor y se utiliza como medio de trabajo en el proceso
de conversión de la energía.
Este aire
se introduce primero en el motor, donde se comprime, se mezcla con combustible
y se enciende. El gas caliente que se produce se transporta a alta velocidad a
través de una serie de aspas en forma de perfil aerodinámico que transfieren la
energía creada por la combustión para hacer girar un eje de salida. La energía
térmica residual en los gases de escape calientes se puede utilizar en
diferentes procesos industriales.
Componentes
básicos de la turbina de gas:
·
Compresor: absorbe aire externo y lo
comprime.
·
Cámara de combustión: se agrega
combustible al aire presurizado y se enciende.
·
Turbina: convierte la energía de gas de
alta velocidad en energía de rotación mediante la expansión.
·
Eje de salida y caja de engranajes:
entrega energía de rotación al equipo impulsado.
·
Escape: extrae el gas de bajas emisiones
utilizado de la sección de la turbina.
Clasificaciones De Turbinas
|
Gas Turbines |
Mechanical Drives |
Generator Sets |
|
Turbine
Model Rating |
kW |
hp |
kWe |
|
Saturn
20 |
1185 |
1590 |
1210 |
|
Centaur
40 |
3500 |
4700 |
3515 |
|
Centaur
50 |
4570 |
6130 |
4600 |
|
Mercury
50 |
N/A |
N/A |
4600 |
|
Taurus
60 |
5740 |
7700 |
5670 |
|
Taurus
65 |
N/A |
N/A |
6500 |
|
Taurus
70 |
8290 |
11110 |
8180 |
|
Mars
90 |
9860 |
13220 |
9450 |
|
Mars
100 |
11860 |
15900 |
11350 |
|
Titan
130 |
17500 |
23470 |
16530 |
|
Titan
250 |
23790 |
31900 |
23100 |
|
Titan
350 (35 MW) |
35000 |
47000 |
34000 |
Ventajas
de las turbinas de gas
En
comparación con otras tecnologías de energía, las turbinas de gas de Solar
tienen numerosas ventajas:
- mayor
confiabilidad y disponibilidad;
- reducción
en los costos de operación;
- uso
de combustibles limpios y de otros combustibles renovables;
- emisiones
más bajas;
- flujo
de calor de escape de alta calidad que se puede usar en otros procesos;
- densidad
de alta potencia;
- amplia
gama de bloques de módulo de potencia;
- reducción
de los costos de construcción;
- facilidad
para transportar y arranque rápido;
- mayor
confiabilidad;
- facilidad
para obtener permisos;
- servicio
y respaldo en todo el mundo.
Toberas
La tobera convergente - divergente o
tobera De Laval es un dispositivo usado para acelerar un fluido (normalmente
aire) hasta velocidades supersónicas (Ma >1), esto por medio de la
conversión de la presión y energía térmica en energía cinética.
En
la sección convergente, el fluido puede ser acelerado hasta el régimen sónico
(Ma = 1), lo cual ocurre en la garganta. Sucesivamente, el fluido continúa
acelerándose en la sección divergente hasta alcanzar el régimen supersónico
para el cual fue diseñada la tobera. Sin embargo, el solo hecho de contar con
una tobera convergente – divergente no asegura que el régimen supersónico será
alcanzado en el plano de salida. Es posible que el fluido se desacelere en la
sección divergente si la contrapresión a la salida no se encuentra en el rango
adecuado. El estado del flujo en la tobera se puede determinar por medio del
cociente entre la contrapresión (Pb) a la salida y la presión total a la
entrada (P0).
En
el primer escenario, cuando la contrapresión es igual a la presión total a la
entrada (Pc1 = P0), no existe flujo en la tobera, tal y como se muestra, ya que
se requiere de una diferencia de presiones para que exista movimiento del
fluido.
En
el segundo escenario, cuando la contrapresión está en rango de
Pc1>Pc>Pc3, el flujo permanece subsónico a lo largo de la tobera, ya que
se acelera en la sección convergente, pero al no tener un cociente de presiones
lo suficientemente grande a la salida para alcanzar el flujo sónico (Ma=1) en
la garganta, el fluido comienza a desacelerarse en la sección divergente y
continúa haciéndolo hasta la salida de la tobera.
Estudio matemático de la tobera ideal
Idealmente
las transformaciones del fluido en una tobera cumplirían las siguientes
condiciones:
Son isoentrópicas (se trataría de un proceso
reversible, sin pérdidas), y por tanto adiabáticas (no hay una transmisión de
calor del fluido a la tobera o al exterior).
Se mantendría en régimen estacionario (con lo
cual, el flujo másico de fluido (compresible) que se desplaza a lo largo de la
tobera permanecería constante todo a lo largo de la misma).
Por tanto, se deben cumplir en cualquier punto
de la tobera las siguientes dos condiciones:
donde h es la entalpía y c la velocidad del
fluido.
donde G es el gasto másico en cualquier punto
(constante); ρ, la densidad del fluido en ese punto; y A, la sección de paso en
ese mismo punto.
De las anteriores ecuaciones se deduce que:
donde a es la velocidad del sonido:
donde Cp y Cv son las capacidades caloríficas
del fluido a presión y volumen contantes, respectivamente; p es la presión del
fluido en ese punto.
La ecuación (3) nos puede dar una indicación
del perfil que debe tener la tobera. Si se desea que la velocidad del fluido
aumente a lo largo de ella, se debe cumplir que dc>0. Entonces:
·
Si c<a (lo que ha de
ocurrir al principio, en que el fluido empieza teniendo poca velocidad),
entonces dA<0, es decir: mientras la velocidad sea menor que la del sonido,
para que el fluido siga acelerándose, la sección ha de ir disminuyendo. Es lo
que se denomina la parte convergente de la tobera.
·
Si c>a ( esto
ocurrirá si el fluido se acelera lo suficiente como para superar la velocidad
del sonido), entonces dA>0. Es decir, si el fluido supera la velocidad del
sonido, para que siga acelerándose, la sección de la tobera ha de ser
creciente. Es lo que se denomina la parte divergente de la tobera.
·
Entre la parte
convergente y divergente de una tobera, existe un punto en que se cumple que
dA=0 (la sección permanecería constante) y en ese punto, denominado garganta de
la tobera, la velocidad del fluido es la del sonido c=a (se entiende que para
ese fluido en esas condiciones)
Las conclusiones son que, para empezar la
aceleración de un fluido, la tobera necesariamente ha de ser convergente en su
primera sección, pero si se quiere que la velocidad del fluido supere la del
sonido, debe tener una segunda sección divergente. En el punto entre ambas
secciones, llamado garganta de la tobera, la velocidad del fluido es la del
sonido.
Suponiendo que el fluido cumple la Ley de los
gases ideales 
podríamos obtener la velocidad en cada punto
de la tobera en función de la presión, según la ecuación:
A partir de la ecuación anterior, podríamos
hallar cuál debe ser la presión en la garganta de la tobera:
donde
es la presión inicial del fluido a la entrada de la tobera y γ es
característica del fluido en cuestión. De este modo se puede determinar el
valor de la presión en la garganta para cualquier fluido. Por ejemplo:
·
Para el aire: 
·
Para el vapor de agua
seco: 
Cálculo Másico de la velocidad de un flujo
líquido ideal a través de una tobera:2[editar]
Utilizando las ecuaciones de Energía Potencial
y Energía Cinética, es posible deducir la velocidad por la que sale un fluido a
través de una tobera.
Donde m es la masa, v la velocidad, g la
constante de aceleración gravitatoria y h la altura, en este caso manometrica.
Reduciendo al ser las masas iguales: 
De dónde: 
Compresores
Un compresor es una máquina cuya función
consiste en incrementar la presión de un fluido. Al contrario que otro tipo de máquinas de
similar función, el compresor eleva la presión de fluidos compresibles como el
aire y todo tipo de gases.
Su funcionamiento consiste en unos cambios de
energía entre la máquina y el fluido, donde el trabajo que ejerce el compresor
es transferido al fluido que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo. En
este proceso se aumenta la presión y la energía cinética que impulsa al fluido
a salir.
Tipos de compresor
Dependiendo de la forma que incrementa
la presión de un gas, se pueden diferenciar distintos tipos de compresores. Los
más conocidos son:
Desplazamiento positivo:
Son máquinas de dimensiones fijas y
normalmente son utilizados para altas presiones o poco volumen. Por cada
movimiento del eje de un extremo al otro tenemos la misma reducción en volumen
y el correspondiente aumento de presión (y temperatura). Se pueden destacar:
·
Compresores de pistón:
Cuando la mayoría de las personas piensan en un compresor de aire probablemente
tengan en mente un compresor de pistón. Son los más antiguos de los compresores
industriales y están disponibles en diferentes versiones: lubricados o exentos
de aceite; simples o de doble efecto y con los cilindros en distintas
configuraciones.
Características:
o
Cilindros y pistones.
Los pistones son piezas formadas por un émbolo y un vástago que, al desplazarse
dentro de un cilindro, reducen el volumen de un gas y aumentan su presión. Y, a
su vez, el movimiento del pistón se produce por la acción de un motor, una
biela y un cigüeñal.
o
Simple o de doble
efecto. Esta clasificación hace referencia a la manera en la que actúan los
pistones. Mientras que en un compresor de efecto simple los pistones solo
comprimen el aire cuando se desplazan en una dirección determinada (hacia
abajo, por ejemplo), en un compresor de doble efecto el pistón actúa cuando se
mueve en ambas direcciones.
o
Una o dos etapas. En
los compresores de pistón de una etapa todos los pistones actúan de igual
forma, mientras que los compresores de dos etapas funcionan en dos fases:
primero, se comprime una cantidad de aire determinada en un cilindro de baja
presión y, después, ese mismo aire se desplaza a otro cilindro donde se
comprime a alta presión.
·
Compresores de tornillo
Cuando
se trata de maquinaria industrial moderna, el compresor de tornillo es una de
las tecnologías más utilizadas. Conocidos por su fiabilidad y versatilidad, los
compresores de tornillo son el caballo de batalla de muchos procesos y
aplicaciones industriales. Esta tecnología duradera es adecuada para una serie
de tareas industriales exigentes, sin las cuales, las empresas de todo el mundo
se encontrarían con retos operativos y problemas de eficiencia.
Existen dos principios básicos de
compresión en los compresores de aire. Uno de ellos es el principio de
desplazamiento positivo. Hay muchos tipos de compresores que utilizan este
método, siendo los compresores de tornillo los más populares.
Funcionamiento del tornillo paso a paso
1.
Una válvula de apertura
aspira el gas a la cámara del compresor. En la cámara se encuentran los dos
rotores de tornillo; cuando la máquina está encendida, giran a gran velocidad.
2.
A medida que los
rotores giran, atrapan y aíslan el aire en las cavidades entre los rotores,
desplazando así el aire hacia la cámara.
3.
La cámara disminuye de
tamaño y se aleja de la válvula de apertura. A medida que el volumen disminuye,
la presión aumenta.
4.
La presurización
aumenta y, por tanto, el aire se condensa.
5.
La presión del aire
hará que la válvula de descarga del compresor’se abra, permitiendo que el aire
presurizado entre en un receptor u otro depósito de retención.
6.
El aire se comprime y
puede transferirse a equipos posteriores como secadores y separadores de
aceite/agua para su secado y eliminación de la contaminación.
·
Compresores de paletas
El principio de funcionamiento de un
compresor de paletas es el mismo que el de muchos motores de expansión de aire
comprimido. Por lo general, las paletas se fabrican con aleaciones de fundición
especiales y la mayoría de los compresores de paletas están lubricados con
aceite. Un rotor con paletas radiales y móviles en forma de hoja está montado
excéntricamente en una carcasa o estátor. Cuando gira, las paletas se presionan
contra las paredes del estátor por la fuerza centrífuga. El aire se aspira
cuando aumenta la distancia entre el rotor y el estátor. El aire se captura en
las diferentes bolsas del compresor, cuyo volumen se reduce con la rotación. El
aire se descarga cuando las paletas pasan por la lumbrera de salida.
El rotor tiene una serie de ranuras
mecanizadas a lo largo de su longitud en las que encajan paletas deslizantes
que se desplazan sobre una película de aceite. El rotor gira dentro de un
estator cilíndrico. Durante la rotación, la fuerza centrífuga extiende los
álabes desde sus ranuras, formando celdas de compresión individuales. La
rotación disminuye el volumen de las celdas, aumentando la presión del aire.
El calor generado por la compresión se
controla mediante la inyección de aceite a presión. La única pieza en
movimiento continuo es el rotor, que se acciona directamente a muy baja
velocidad (1450rpm), lo que ofrece una fiabilidad inigualable. La principal
ventaja de esta tecnología es que los compresores de paletas duran mucho tiempo
y son una tecnología extremadamente fiable y probada.
Reproduzca la animación para ver un
compresor de paletas en acción:
El aire a alta presión se descarga a
través del puerto de salida y los restos de aceite son eliminados por el
separador de aceite final.
·
Compresores de lóbulos
o émbolos rotativos
El compresor de lóbulos o émbolos
rotativos es un compresor de desplazamiento positivo. Este tipo de compresor
usa unos rotores de lóbulos o émbolos rotativos para comprimir el aire. El
principio de funcionamiento está basado en el giro de dos rotores de lóbulos en
el interior de la carcasa.
Los rotores giran de forma sincronizada
y en sentido contrario, formando entre ellos unas cámaras en las que entra el
aire. Los lóbulos se limitan a desplazar el aire, consiguiendo aumentar la
presión en función de la contrapresión con la que se encuentran en la salida
del equipo. Esta contrapresión viene dada por las pérdidas por rozamiento y las
necesidades de presión del sistema con el que trabaja.
Los rotores empleados pueden ser
bilobulares o trilobulares. También existe una ejecución similar que utiliza
unos rotores de uña.
·
Compresores scroll
Un compresor scroll, también conocido
como compresor de espiral, es un tipo de compresor de desplazamiento positivo
que comprime internamente aire o gas. Los compresores scroll pueden lubricarse
con aceite o estar exentos de aceite, y estos últimos son los más adecuados para
aplicaciones en las que se necesita un aire limpio y seco de calidad, sin
ningún tipo de contaminación de aceite en la cámara de compresión.
¿Cómo funciona un compresor scroll? Un
compresor scroll consta de dos elementos en forma de espiral unidos con pernos:
una espiral fija y una espiral móvil accionadas por un motor. Las espirales
oscilan en un movimiento continuo sin que se produzca el contacto entre los
metales, mientras que el aire se comprime en volúmenes cada vez más pequeños en
bolsas de aire con forma de media luna. Profundicemos un poco más para entender
el mecanismo de la compresión por desplazamiento de los compresores scroll.
La espiral móvil se acciona mediante un
cigüeñal de carrera corta y se desplaza excéntricamente alrededor del centro de
la espiral fija. El movimiento de la espiral móvil genera una succión que
aspira el aire desde la abertura de entrada situada en la parte superior de la
carcasa del elemento. El aire o el gas que se captura en las bolsas de aire
entre las dos espirales se comprime gradualmente mientras se desplaza hacia el
centro de la carcasa, donde están el puerto de salida y una válvula
antirretorno. El gas comprimido y presurizado se descarga desde el puerto de
salida del centro del conjunto. La válvula antirretorno evita el retorno del
gas o del refrigerante.
La rotación de 180° o el desfase
proporciona la estabilidad radial del elemento scroll. Debido a que la cámara
de compresión es cada vez más pequeña a medida que se comprime el aire o el gas
en el compresor, este tipo de compresión se suele denominar compresión interna.
Durante este proceso, las fugas se reducen al mínimo porque la diferencia de
presión en las bolsas de aire es inferior a la diferencia de presión entre la
entrada y la salida. Similar a la compresión interna que se produce en un
compresor de tornillo, la cantidad de compresión interna viene determinada por
el diseño del puerto de descarga. Gracias al diseño exclusivo de su puerto de
descarga, un compresor scroll puede comprimir más aire o gas con un consumo de
energía relativamente más bajo. En comparación con otros compresores, el
compresor scroll alcanza el mayor nivel de eficacia en volumen porque no emplea
pistones para comprimir el gas.
La emisión sonora del compresor scroll
también es significativamente inferior a la de las demás tecnologías de
compresión existentes. El ciclo de compresión completo dura 2,5 vueltas,
incluidas las fases de succión, compresión y revolución de descarga, que tienen
lugar simultáneamente y que generan un caudal constante de aire sin
pulsaciones. El compresor scroll ofrece un funcionamiento fluido y sin
vibraciones gracias a su elemento scroll, que apenas tiene variaciones de par
en comparación con un compresor de pistón. El diseño sencillo del compresor
scroll con una sola pieza móvil (y, por lo tanto, sin fricción) hace que sea
muy fiable y silencioso en comparación con los compresores de pistón
equivalentes o con los tradicionales compresores de tornillo rotativo.
·
Bombas de vacío
Una bomba de vacío industrial
es un dispositivo mecánico diseñado para la extracción de gases o líquidos del
interior de recipientes, tuberías o de cualquier sistema donde se requiera
reducir su presión interior a valores menores a la atmosférica.
En función de sus
características o de sus aplicaciones, las bombas de vacío pueden funcionar de
una u otra forma.
v Bombas
de vacío sin aceite
La estructura interna del rotor, la
camisa y las paletas móviles producen unas cámaras que van variando su tamaño
dependiendo de la posición. La presión en el interior de la cámara aumenta
cuando disminuye el volumen de esta, puesto que el gas en el interior se
mantiene en igual cantidad. Del mismo modo, la presión disminuye cuando la
cámara se expande, generando de ese modo vacío.
v Bomba
de vacío con aceite
Funcionan igual que las bombas de vacío
que no llevan aceite, pero en este caso el aceite se emplea para lograr una
estanqueidad mayor en las cámaras y, en consecuencia, niveles más elevados de
diferencia de presión.
Utilización del compresor
Los compresores son máquinas muy utilizadas actualmente en el
sector industrial y en muchos campos de ingeniería. Están presentes en muchas
máquinas y sistemas mecánicos que utilizamos en nuestro día a día.
Están presentes en muchos sistemas de refrigeración como por
ejemplo, los refrigeradores domésticos. También podemos encontrarlos en
generadores de energía eléctrica. El compresor es un componente importante
dentro de los motores. Son los encargados de la sobrealimentación de motores de
combustión interna de un coche y hacen posible el funcionamiento de los
turborreactores de muchos motores de avión.
El compresor también se utiliza para comprimir gases en redes
de alimentación de sistemas neumáticos.
Estranguladores
Manómetro
Un manómetro de presión es un dispositivo que permite medir la
intensidad de fluidos en recipientes cerrados.
Estos instrumentos emplean conexiones
mecánicas. Por lo tanto, son principalmente útiles para medir presiones
estáticas o presiones que cambian lentamente. Esto hace que su aplicación sea
diferente a la de un transmisor de presión, que se utilizan en los casos en los que las presiones cambian
rápidamente.
Función de un manómetro de presión
En
ajustes de máquinas
Los
manómetros de presión se utilizan para la configuración y ajuste de las
máquinas de potencia fluida. Sin medidores de presión, los sistemas de energía
fluida serían poco fiables e impredecibles.
v
En
sistemas hidráulicos
Los
manómetros de presión permiten garantizar que no haya fugas ni cambios de
presión. Es decir que puedan afectar las condiciones de funcionamiento de
sistemas hidráulicos.
Estos
sistemas están diseñados para trabajar en un rango de presión establecido. Por
lo tanto, el manómetro de presión debe tener una clasificación para dicho
rango.
Con
frecuencia se instalan manómetros hidráulicos en el puerto de presión de la
bomba para indicar la presión del sistema. Sin embargo, se pueden instalar en
cualquier lugar de la máquina donde se necesite monitorear la presión.
Un
manómetro de presión es especialmente útil si los sub-circuitos funcionan a una
tasa de presión diferente a la presión de la bomba. Esto es una aplicación
clara para utilizar el manómetro de presión después de una válvula reductora. A
menudo, las válvulas reductoras de presión tienen un puerto de medición para
aprovechar. Esto permite controlar directamente su configuración de presión
aguas abajo.
v
En
sistemas de alimentación de fluidos
Los
manómetros de presión se han utilizado en sistemas de alimentación de fluidos
durante muchos años. Por lo tanto, el diseño del manómetro de presión para
sistemas de alimentación de fluidos está ya muy perfeccionado.
El
manómetro de presión para aplicaciones de potencia de fluidos ha evolucionado
hacia un aumento en las características específicas de la aplicación. Por
ejemplo, ahora los manómetros de presión se diseñan de forma estandarizada con
conexiones de presión amigables hidráulicamente (como roscas rectas SAE /
métricas) para evitar fugas en el sistema.
Los
medidores analógicos con básculas personalizadas son más comunes. Por su parte,
los manómetros de presión digitales con firmware personalizable permiten la
medición del proceso de la medición de fugas basada en la presión u otros
parámetros como el par, la carga, la fuerza y la dureza.
v
En
sistemas de aire comprimido y neumático
Los
sistemas de aire comprimido y neumático también están llenos de medidores, ya
que la presión también se mide en muchos lugares del sistema. La presión se
mide en el receptor, así como en cada
FRL o regulador autónomo en el sistema. A veces, la presión también se mide en
los actuadores neumáticos.
Típicamente,
los manómetros de presión neumáticos tienen una capacidad menor que los
manómetros de presión hidráulicos.
¿Cómo se mide la presión?
Existen
tres formas de medir la presión con un manómetro de presión: absoluta,
manométrica y de vacío.
v
Presión
absoluta
Se
basa en una medida de la presión real, incluido el aire ambiente. Esto quiere
decir que tiene referencia cero con un vacío perfecto, pero puede ser tan alto
como 10 bares a nivel del mar. Las lecturas absolutas de presión se consideran
en aplicaciones que interactúan con el aire ambiente, como el cálculo de la
relación de compresión para requisitos de flujo (cfm).
v
Presión
manométrica
Tiene
referencia cero con respecto a la presión ambiental. Se usa en la mayoría de
las aplicaciones que funcionan en aire ambiente, como en los sistemas de
alimentación por fluido. Hay que tener en cuenta que desconectado del equipo,
la presión manométrica indicará cero.
v
Presión
de vacío
Se
expresa en Torr o hace referencia a la presión ambiental. Sus unidades de
medida «in.-Hg» (pulgadas de mercurio) mide la presión por debajo de la
temperatura ambiente.
El
manómetro de presión hidráulico puede soportar diferentes rangos de presión
según el tipo de calibre y el material con el que está fabricado. Debido a
esto, el estilo del manómetro y el material conforman dos de los criterios de
selección más importantes para los manómetros de presión.
Tipos
de manómetros de presión
Manómetro de presión de tubos Bourdon
Los
tubos Bourdon toman la presión y la convierten en energía mecánica. Esta
energía mueve un dial en el medidor, mostrando la cantidad actual de presión en
el sistema.
Los manómetros de
presión de tubo Bourdon son actualmente algunos de los medidores más comunes.
Tienen configuraciones diferentes, como curvas, helicoidales y en espiral. Las
diferencias en el diseño del tubo, el tamaño y el material del que está hecho
varían según el rango de presión.
Una
característica importante a tener en cuenta es que la sección transversal de
los tubos. Esta cambia con el aumento de la presión. Generalmente, a medida que
aumenta la presión de trabajo del manómetro, la forma de la sección transversal
del diseño del tubo cambiará. Normalmente va de una forma ovalada a una forma
circular.
El
funcionamiento del tubo de Bourdon es simple. Consisten en un tubo semicircular
y plano de metal. Está fijado en un extremo y unido a un mecanismo de palanca
sensible en el otro. A medida que aumenta la presión dentro del tubo, la fuerza
del fluido intenta enderezar el tubo curvado. El tubo se separa de la palanca,
que al estar conectada a la aguja en la pantalla, muestra la presión en el
puerto de fluido.
Manómetro de presión de fuelle
Si
bien los indicadores de fuelle funcionan de manera similar a los tubos de
Bourdon, difieren en el hecho de que utilizan un resorte para calcular la cantidad
de energía que se debe presionar. El resorte se expande y comprime por la
presión en los tubos. La energía creada por ese movimiento se transfiere a
engranajes que mueven el dial de presión.
El
rango de presión en el cual el manómetro estará funcionando es el principal
factor de selección para escoger el tipo de material utilizado para hacer el
medidor. Los medidores que operan a presiones más altas por lo general tienden
a estar hechos de materiales como el acero. Cuando operan a presiones más bajas,
tienden a ser de bronce.
El
uso de adaptadores de punto de prueba en varias ubicaciones del sistema
hidráulico permite la medición durante la resolución de problemas. Así no es
necesario comprar docenas de manómetros. La conexión del punto de prueba se conecta
al medidor, que se puede atornillar en los puntos de prueba en todo el
circuito. Esto le permite conectarse bajo presión para medir en varios puntos
del sistema.
La
mayoría de los medidores tienen un diámetro de 21/2 pulgada. Pueden ser de
montaje superior o de montaje en panel. Hay medidores disponibles en todos los
tamaños, materiales y construcciones imaginables.
Bombas
Tipos de bombas industriales
v Bombas centrífugas
Las bombas centrífugas transforman otro
tipo de energía en energía cinética, es decir, aumentan la velocidad del fluido
para poder transportarlo. Son muy utilizadas para el transporte de líquidos que
contienen partículas sólidas en suspensión. Los tipos de bombas centrífugas se
pueden clasificar según distintos parámetros:
o
Dirección de flujo: según la dirección en la que el fluido atraviesa
la bomba (axial, radial o mixta).
o
Posición del eje de rotación :
horizontales, verticales e inclinados.
o
Por diseño de la coraza: voluta
o de turbinas.
o
Forma de succión: simple o
doble.
v Bombas de alta presión
Se definen como bombas que pueden generar una presión de descarga
alta. Se utilizan especialmente en sectores como la industria cerámica, la
alimenticia, para el embalaje y el corte y la limpieza con agua. Existen dos
tipos dependiendo de su funcionamiento:
o
Bombas axial: el motor hace
girar un disco que permite conseguir un movimiento de empuje y retroceso
constante, generando una presión estable.
o
Bombas triplex: son más pesadas
y caras que el anterior modelo, pero su durabilidad y resistencia es mucho
mayor.
v 
Bombas neumáticas
También conocidas como bombas de diafragma,
aumentan la presión mediante el empuje de unas paredes elásticas (membranas o
diafragmas) que varían el volumen de la cámara. La mayoría de estas bombas son
bombas de membrana, aunque existen algunas de doble diafragma que se
complementan una con otra.
Debido a la resistencia a la corrosión de
estas bombas son equipos muy utilizados en la industria para el movimiento de
casi cualquier líquido como ácidos, petróleo, disolventes, depuradoras,
químicos, naval…
v Bombas especiales para el tratamiento de aguas
Se trata de bombas indispensables para
procesos industriales donde es necesario inyectar químicos a un proceso como
aditivo o para mantener el agua en condiciones adecuadas.
v Bombas sumergibles
Ya hemos hablado de ellas en otros posts
como ‘Ventajas y desventajas de las bombas sumergibles’ o ‘¿Cómo funcionan las
bombas sumergibles?’. Son bombas que van colocadas bajo el fluido en cuestión y
pueden ser utilizadas en pozos, aguas residuales, drenaje…y sector industrial
en general.
v Bombas de engranajes
Las bombas de engranajes constan de dos
engranajes que generan el flujo. Se utilizan principalmente para el bombeo de
productos corrosivos, abrasivos, con alta viscosidad o peligrosos para el medio
ambiente. Este tipo de bombas ofrecen pleno rendimiento en cualquier sentido de
la rotación.
Como ves, existen multitud de opciones
dependiendo de las aplicaciones que vayan a tener. Elegir una bomba industrial
es una decisión importante ya que supone una inversión. Por eso es necesario
contar con toda la información y el asesoramiento de expertos en bombas
industriales.
Válvulas
Las
válvulas se dividen en las siguientes categorías cuando son divididas por
construcción y características:
Si el elemento de cierre 'rota' en la vía de circulación para
detener el flujo, por ejemplo: válvula de bola, válvula de mariposa.
Si el elemento de cierre actúa como un 'sello o tapón' en la vía
de circulación para detener el flujo, por ejemplo: válvula de globo.
Si el elemento de cierre de la válvula es 'insertado' en la vía
de circulación para detener el flujo, por ejemplo: válvula de compuerta.
Si
la vía de circulación por si misma es 'pinchada desde el exterior' para detener
el flujo, por ejemplo: válvula de diafragma.
La construcción de una válvula de compuerta es similar a la de
una esclusa. Una de las principales características de este tipo de válvula es
la pequeña caída de presión cuando está totalmente abierta. Sin embargo, el
cuerpo de la válvula debe ser levantado completamente fuera de la vía de
circulación, a fin de que se abra completamente y esto significa que la palanca
debe estar activada en numerosas ocasiones. La dimensión cara a cara de una
válvula de mariposa puede ser extremadamente pequeña, provocando también una
pequeña caída de presión como una característica principal de este tipo de
válvula. Estos tipos de válvulas a menudo se utilizan en aplicaciones de agua y
aire.
Válvulas
de Bola
Las válvulas de bola ofrecen muy buena capacidad de cierre y son
prácticas porque para abrir y cerrar la válvula es tan sencillo como girar la
manivela 90°. Se pueden hacer de 'paso completo', lo que significa que la
apertura de la válvula es del mismo tamaño que el interior de las tuberías y
esto resulta en una muy pequeña caída de presión. Otra característica
principal, es la la disminución del riesgo de fuga de la glándula sello, que
resulta debido a que el eje de la válvula solo se tiene que girar 90°.
Cabe señalar, sin embargo, que esta válvula es para uso
exclusivo en la posición totalmente abierta ó cerrada. Esta no es adecuada para
su uso en una posición de apertura parcial para ningún propósito, tal como el
control de caudal.
La válvula de bola hace uso de un anillo suave conformado en el
asiento de la válvula. Si la válvula se utiliza en posición parcialmente
abierta, la presión se aplica a sólo una parte del asiento de la válvula, lo
cual puede causar que el asiento de la válvula se deforme. Si el asiento de la
válvula se deforma, sus propiedades de sellado se vulneran y esta fugará como
consecuencia de ello.
Válvulas
de Globo
La válvula de globo es adecuada para utilizarse en una amplia
variedad de aplicaciones, desde el control de caudal hasta el control
abierto-cerrado (On-Off).
Cuando el tapón de la válvula está en contacto firme con el
asiento, la válvula está cerrada. Cuando el tapón de la válvula está alejado
del asiento, la válvula está abierta. Por lo tanto, el control de caudal está
determinado no por el tamaño de la abertura en el asiento de la válvula, sino
más bien por el levantamiento del tapón de la válvula (la distancia desde el
tapón de la válvula al asiento). Una característica de este tipo de válvula es
que incluso si se utiliza en la posición parcialmente abierta, hay pocas
posibilidades de daños al asiento o al tapón por el fluido. En particular, el
principal tipo de válvula de globo utilizada para control de caudal es la
válvula de aguja.
Cabe señalar, sin embargo, que debido a que la vía de
circulación en esta válvula es en forma de 'S', la caída de presión es mayor
que el de otros tipos de válvulas. Además, el vástago de la válvula debe ser
accionado en numerosas ocasiones con el fin de abrir y cerrar la válvula y por
tanto, hay una tendencia a fugar por la glándula de sello. Además, dado que
cerrar la válvula requiere accionar el vástago hasta que el tapón presione
firmemente hacia abajo en el asiento, es difícil saber el punto exacto en el
que la válvula está totalmente cerrada. Ha habido casos en que accionando
accidentalmente la flecha de la válvula demasiado lejos se ha dañado la
superficie del asiento.
Suplemento
Las
válvulas de diafragma que detienen el flujo 'pellizcando desde el exterior' se
utilizan principalmente en sistemas líquidos, pero existe una válvula para
sistemas de vapor que lleva un nombre similar. Esta es una válvula automatizada
con un diafragma de tipo actuador. Esto es a menudo reducido a sólo una
'válvula de diafragma', por lo que cuando una válvula es referida con este
nombre, se debe tener cuidado de verificar qué tipo de válvula es.
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