guia para escritura de documento cientifico

Universidad
Tecnológica de
Querétaro
Firmado digitalmente por Universidad
Tecnológica de Querétaro
Nombre de reconocimiento (DN):
cn=Universidad Tecnológica de
Querétaro, o=Universidad Tecnológica
de Querétaro, ou,
[email protected], c=MX
Fecha: 2013.09.10 21:21:01 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
“IMPLEMENTACÓN DE INTERCAMBIADOR DE CALOR EN MÁQUINA
FORJADORA”
Empresa:
STAMPING STEEL & TRUCHS
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN MANTENIMIENTO ÀREA
INDUSTRIAL
Presenta:
Luis Fernando Frías Pérez
Asesor de la UTEQ
Ing. Adrian Morales Pérez
Asesor de la Empresa
Marcos Martínez Licea
Santiago de Querétaro, Qro., Septiembre de 2013
1
Resumen
El calor en los sistemas hidráulicos representa un gran problema para los
elementos que lo conforman ya que dilata los materiales y provoca fugas
internas. Los intercambiadores se encargan de disipar el exceso de energía
calorífica generada por el sistema, disminuyendo su temperatura, en ocasiones
el intercambiador no cumple con las características necesarias para que el calor
pueda salir y comienza a generar problemas en la producción. Los factores que
intervienen el la eficiencia de los intercambiadores son muchos, la temperatura
del ambiente, el área de contacto entre fluidos, el material de los tubos, el
caudal que otorga la bomba de aceite y el ventilador de aire etc. El objetivo
principal de esta publicación será demostrar con cálculos matemáticos que el
radiador con el que cuenta la maquina forjadora 27 de la empresa Stamping
Steel & Trucks no es el adecuado para disipar el exceso de calor y se hará la
propuesta de mejora para lograr reducir gastos de mantenimiento correctivo,
pudiendo aumentar la eficiencia de disponibilidad de la maquina y permitiendo a
la empresa superar las expectativas del cliente.
(Palabras clave: intercambiador, eficiencia, temperatura)
2
Description
I did my internship in Stamping Steel & Trucks. My workplace is big because we
have many tools. The temperature here is cool in the morning but very hot in
afternoon. In general, the working environment is good. My coworker's age is
variable. There are people from 18 to 60 years old, but they all are friendly. My
boss Marcos Martinez is tall and fat, but he is intelligent and patient.
3
ÍNDICE
CAPITULO
I
II
III
IV
V
VI
VII
7.1
7.2
7.3
7.3.1
7.3.2
7.3.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.7.1
7.7.2
7.8
7.9
VIII
XI
X
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6
10.7
10.8
10.9
10.10
TITULO
Resumen
Description
Índice
Introducción
Antecedentes
Justificación
Objetivos
Alcances
Análisis de riesgos
Fundamentación teórica
Introducción a la hidráulica
Producción de energía hidráulica
Componentes de un sistema hidráulico
Fluidos de potencia
Limitador de presión en sistemas hidráulicos
Deposito hidráulico
Calculo de cilindros hidráulicos
Circuitos hidráulicos básicos
Circuitos hidráulicos de dos presiones acopladas
Elementos de trabajo y control hidráulico
Clasificación de los elementos hidráulicos y sus partes
Simbología
Gasto másico
Coeficiente global de transferencia de calor
Plan de actividades
Recursos humanos y materiales
Desarrollo del proyecto
Lay out la empresa
Forjadora 27
Diagrama hidráulico
Aceite Lubra H 68
Ubicación del radiador
Radiador actual
Temperaturas otorgadas entes del proyecto
Calculo de eficiencia del radiador
Análisis de resultados
Sugerencia de nuevo radiador
PAGINA
2
3
4
6
8
11
12
13
14
15
15
15
16
23
28
32
35
38
39
41
41
43
47
49
51
52
53
53
53
54
55
57
57
59
59
64
64
4
10.11
10.12
10.13
XI
XII
XIV
Separación de succión y descarga
Modificación de base para nuevo radiador
Modificaciones a conexión eléctrica
Resultados obtenidos
Conclusiones y recomendaciones
Referencias bibliográficas
68
69
69
71
72
75
5
I.
Introducción
Se desarrolla en una empresa que lleva por nombre Stamping Steel &
Trucks, que está ubicada en la calle
Mezquital número 3 en la colonia San
Pablo, es una empresa certificada por la Norma ISO-TS 16949:2009 que se
dedica la fabricación de componentes automotrices. Los principales procesos
son: forjado, estampado y troquelado, principalmente de componentes para
sistema de escape automotriz. La excelencia de sus productos se reconoce por
ser en acero inoxidable.
Las piezas principales que se fabrican en la planta son; ganchos, bridas y
hooks (ganchos de arrastre) para la industria de partes automotrices. Iniciaron
operaciones en 1990 dedicándose a la industria de autopartes, principalmente
en componentes para chasis y sistemas de escape automotriz.
Actualmente Steel & Trucks fabrica 150 componentes distintos, de las que el
90% se destina a la exportación indirecta y cuenta con una producción
promedio mensual de más de 250 mil ganchos, que representan 3000
toneladas de acero consumidas al año.
Steel & Trucks cuenta con 80 máquinas, entre las que se encuentran,
troqueladoras con capacidad de 20 a 800 toneladas, forjadoras de 100
toneladas, soldadoras (MIG) y proyección, equipo de diseño (CAD,IGES) y
maquinaria de control numérico por lo cual se ha consolidado como un gran
proveedor respecto a sus competidores.
Parte de la política de calidad expresa; “Estar dispuestos a mantener recursos
humanos, materiales y financieros para cubrir los requisitos actuales y futuros
de los clientes y otras partes interesadas”. Quedando claro que, es de vital
importancia optimizar costos.
6
A lo largo del el último año y con ayuda de los registros de mantenimiento, se
han percatado que los gastos generados por mantenimiento correctivo y
refacciones en forjadoras han estado elevados, tal como lo indica la grafica de
tendencia G1.
HORAS EXTRAS NECESARIA
30
25
20
15
horas hombre
10
5
0
enero
febrero
marzo
abril
mayo
junio
julio
G1. Grafica que representa la cantidad de horas necesarias por mes para poder cumplir con el
mantenimiento correctivo a forjadoras, especialmente cambio de sellos y retenes.
7
II. Antecedentes
Antecedentes del proyecto
Actualmente se cuenta con 9 forjadoras de 100 toneladas equipadas con una
bomba compuesta por dos cartuchos de paletas, que otorgan 17 y 60 galones
por minuto de aceite hidráulico por el sistema, generando una presión de 2500
PSI, permitiendo que la pieza que originalmente es una varilla recta (imagen 1),
tome la forma especificada. Esto se logra por medio de pistones que en la punta
del vástago tienen colocados los dados (cavidades para dar forma a la varilla)
con los cuales permite deformar la pieza (imagen 2).
Imagen 1, pieza original después
imagen 2, pieza después de la forjadora
del corte
En promedio una vez cada 4 meses se tiene que hacer cambio de sellos
hidráulicos, la temperatura que al final del turno alcanza el aceite es
excesivamente elevada, siendo la normal 40
90
y alcanzando un promedio de
(grafica G 2), Esto ha generado un alto costo tanto en refacciones como
en honorarios de trabajadores ya que el proceso no se puede hacer durante las
horas hábiles (grafica G 3).
8
TEMPERATURA DE FORJADRA
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
temperatura
06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 01:00 02:00 03:00 04:00
AM AM AM AM AM AM PM PM PM PM PM
“Grafica G 2, muestra el promedio de la temperatura del aceite a lo largo de la jornada laboral
en la maquina forjadora”
GASO POR MANTENIMIENTO CORRECTIVO
27
6
34
21
5
19
14
5%
42%
31%
8%
5%
5% 4%
“Grafica G 3, muestra el porcentaje del gasto total generado en forjadoras”
El radiador actual es de tipo panal con las siguientes dimensiones:
Alto-
25 pulgadas
Largo-
30 pulgadas
Ancho-
4 pulgadas
9
Contiene 128 tubos horizontales de cobre como intercambiadores con un radio
de 6/16 “(imagen 3).
Tiene una entrada derivada del final del ciclo y la salida descarga directamente
en el tanque con capacidad de 600 l.
10
III Justificación
En promedio cada reemplazo de sellos hidráulicos deja un gasto de;
A) $2000.00 por concepto de material
Como el trabajo es laborioso y se tiene que pagar hasta 10 horas extras a
mínimo dos auxiliares de mantenimiento.
B) $1400.00 mano de obra
Desperdicio de 20 l de aceite hidráulico
Si el cambio no fue programado y la falla surgió en el horario laboral, la perdida
por hora asciende a $10000.00
C) $50000.00 por perdidas en las 5 horas que en promedio tarda el proceso.
Si se logra realizar el cambio sin contratiempos, el gasto general es de
$3500.00 en caso de ser un cambio programado y de $53500.00 en caso de
que la falla sea un problema de mantenimiento correctivo.
Este problema se ocasiona como ya lo habíamos mencionado con anterioridad
por el efecto que produce el aceite sobre los sellos de todo el sistema a la
temperatura y presión con la que se está trabajando.
11
IV Objetivos
Objetivos específicos

Reducir temperatura del aceite que actualmente está en promedio 90
grados Celsius al final del turno, hasta los 40 grados Celsius.

Reducir costos en mantenimiento correctivo de $10500.00 a 3500 para lo
cual se tendrá que modificar el diseño de los intercambiadores de
temperatura existentes para mejorar la eficiencia y la propuesta
desarrollada será entregada a la empresa para que decida sobre su
implantación, previo análisis costo beneficio.

Reducir las horas extras por concepto de cambio de sellos hidráulicos de
un cantidad anual de 120 a 10 que son las necesarias para un solo
cambio.

Asegurar la disponibilidad de las máquinas para que la producción no se
detenga, actualmente se tiene un 89 % de disponibilidad y se planea
aumentar a 95%, de esta manera se cumplirá en tiempo y forma con el
cliente.
12
V. Alcances
La empresa cuenta con 9 forjadoras, todas manejan los mismos caudales y
presiones otorgadas por las bombas, 7 de las cuales son “sencillas” (con
capacidad para forjar de un solo lado) y las otras 2 son “forja doble” (capacidad
para forjar ambos extremos de la barra).

El objeto de estudio será la forjadora doble numero 27.
El periodo de desarrollo está comprendido entre el día 6 de mayo al 26 de
agosto del presente año, se iniciara calculando la energía calorífica que es
capaz de generar el sistema, se calculara que eficiencia tiene el radiador actual
para posteriormente rediseñar uno con las necesidades especificas para esta
máquina.
El proyecto tendrá como fecha límite en día 6 de agosto.
Se dará por terminado una vez se entregue la propuesta de la mejora en medio
electrónico o impreso, la fabricación modificación y ajuste no forman parte del
desarrollo al tener un tiempo tan corto.
13
VI. Análisis de riesgos
Las situaciones que puedan afectar a la realización del proyecto son las
siguientes:
El espacio libre que existe al derredor de nuestra forjadora es angosto, 1 m para
los cuatro lados laterales y 2m de altura impidiendo colocar elementos que
pudieran exceder estas dimensiones. La distancia que existe entre una
forjadora y otra es muy grande con un promedio de 10m, impidiendo poner
varios equipos intercambiadores en serie y obligándonos a personalizar cada
uno de ellos para adaptarse al entorno. El presupuesto que se otorgara al
desarrollo del prototipo es limitado, casi nulo de manera
que el proyecto se
reduce a entregar una propuesta escrita del mismo para implementaciones
posteriores.
Las consecuencias que se tendrán si no se implementa esta mejora serán las
siguientes. El aceite al estar a una temperatura inadecuada desgastara los
sellos hidráulicos y permitirá que tengan fugas internas, lo cual dará variaciones
en las piezas dejándolas fuera de especificación y retrasando la orden de
compra del cliente. Por otro lado los gastos de mantenimiento correctivo
ascenderán a medida que el sistema se dañe poco a poco.
14
VII. Fundamentación teórica
7
Sistemas hidráulicos
7.1. Introducción a la hidráulica
La hidráulica es la ciencia que forma parte la física y comprende la transmisión
y regulación de fuerzas y movimientos por medio de los líquidos. Cuando se
escuche la palabra “hidráulica” hay que remarcar el concepto de que es la
transformación de la energía, ya sea de mecánica ó eléctrica en hidráulica para
obtener un beneficio en términos de energía mecánica al finalizar el proceso.
Etimológicamente la palabra hidráulica se refiere al agua:
Hidros - agua. Aulos - flauta.
Algunos especialistas que no emplean el agua como medio transmisor de
energía, sino que el aceite han establecido los siguientes términos para
establecer la distinción:
Oleodinámica, Oleo hidráulica u Oleólica.
7.2. Producción de energía hidráulica
La ventaja que implica la utilización de la energía hidráulica es la posibilidad de
transmitir grandes fuerzas, empleando para ello pequeños elementos y la
facilidad de poder realizar maniobras de mandos y reglaje. A pesar de estas
ventajas hay también ciertos inconvenientes debido al fluido empleado como
medio para la transmisión. Esto debido a las grandes presiones que se manejan
en el sistema las cuales posibilitan el peligro de accidentes, por esto es preciso
cuidar que los empalmes se encuentren perfectamente apretados y estancos.
15
7.3 Componentes de un sistema hidráulico
1.- Bombas y motores.
Nos proporcionan una presión y caudal adecuado de líquido a la instalación.
Bomba hidráulica
La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica. Es un
dispositivo que toma energía de una fuente (por ejemplo, un motor, un motor
eléctrico, etc.) y la convierte a una forma de energía hidráulica. La bomba toma
aceite de un depósito de almacenamiento (por ejemplo, un tanque) y lo envía
como un flujo al sistema hidráulico.
Todas las bombas producen flujo de aceite de igual forma. Se crea un vacío a la
entrada de la bomba. La presión atmosférica, más alta, empuja el aceite a
través del conducto de entrada a las cámaras de entrada de la bomba. Los
engranajes de la bomba llevan el aceite a la cámara de salida de la bomba. El
volumen de la cámara disminuye a medida que se acerca a la salida. Esta
reducción del tamaño de la cámara empuja el aceite a la salida (imagen 3).
La bomba sólo produce flujo (por ejemplo, galones por minuto, litros por minuto,
centímetros cúbicos por revolución, etc.), que luego es usado por el sistema
hidráulico.
La bomba NO produce “presión”. La presión se produce por acción de la
resistencia al flujo. La resistencia puede producirse a medida que el flujo pasa
por las mangueras, orificios, conexiones, cilindros, motores o cualquier
elemento del sistema que impida el paso libre del flujo al tanque. Hay dos tipos
de bombas: regulables y no regulables.
16
Imagen 3 estructura de una bomba
Bombas no regulables
Las bombas no regulables tienen mayor espacio libre entre las piezas fijas y en
movimiento que el espacio libre existente en las bombas regulables. El mayor
espacio libre permite el empuje de más aceite entre las piezas a medida que la
presión de salida (resistencia al flujo) aumenta. Las bombas no regulables son
menos eficientes que las regulables, debido a que el flujo de salida de la bomba
disminuye considerablemente a medida que aumenta la presión de salida. Las
bombas no regulables generalmente son del tipo de rodete centrífugo o del tipo
de hélice axial. Las bombas no regulables se usan en aplicaciones de presión
baja, como bombas de agua para automóviles o bombas de carga para bombas
de pistones de sistemas hidráulicos de presión alta.
Bomba de rodete centrífuga
La bomba de rodete centrífuga (imagen 4) consiste de dos piezas básicas: el
rodete (2), montado en un eje de salida (4) y la caja (3). El rodete tiene en la
parte posterior un disco sólido con hojas curvadas (1), moldeadas en el lado de
la entrada. El aceite entra por el centro de la caja (5), cerca del eje de entrada, y
fluye al rodete. Las hojas curvadas del rodete impulsan el aceite hacia afuera
17
contra la caja. La caja está diseñada de tal modo que dirige el aceite al orificio
de salida.
Imagen 4 bomba centrifuga
Bombas regulables
Hay tres tipos básicos de bombas regulables: de engranajes, de paletas y de
pistones. Las bombas regulables tienen un espacio libre mucho más pequeño
entre los componentes que las bombas no regulables. Esto reduce las fugas y
produce una mayor eficiencia cuando se usan en sistemas hidráulicos de
presión alta. En una bomba regulable el flujo de salida prácticamente es el
mismo por cada revolución de la bomba. Las bombas regulables se clasifican
de acuerdo con el control del flujo de salida y el diseño de la bomba.
La capacidad nominal de las bombas regulables se expresa de dos formas.
Una forma es por la presión de operación máxima del sistema con la cual la
bomba se diseña (por ejemplo, 21.000 kPa o 3.000 lb/pulg2).
18
La otra forma es la salida específica suministrada, expresada bien sea en
revoluciones o en la relación entre la velocidad y la presión específica. La
capacidad nominal de las bombas se expresa ya sea en l/min-rpm-kPa o gal
EE.UU./min-rpm-lb/pulg2 (por ejemplo, 380 l/min-2.000 rpm-690 kPa o 100 gal
EE.UU./min-2.000 rpm-100 lb/pulg2).
Cuando la salida de la bomba se da en revoluciones, el flujo nominal puede
calcularse fácilmente multiplicando el flujo por la velocidad en rpm (por ejemplo,
2.000 rpm) y dividiendo por una constante.
Bombas de Engranajes
Las bombas son componentes del sistema hidráulico que convierten la energía
mecánica transmitida desde un motor eléctrico a energía hidráulica. Las
bombas de engranajes son compactas, relativamente económicas y tienen
pocas piezas móviles. Las bombas de engranajes externas se componen de
dos engranajes, generalmente del mismo tamaño, que se engranan entre si
dentro de una carcasa. El engranaje impulsor es una extensión del eje impulsor.
Cuando gira, impulsa al segundo engranaje. Cuando ambos engranajes giran,
el fluido se introduce a través del orificio de entrada. Este fluido queda atrapado
entre la carcasa y los dientes de rotación de los engranajes, se desplaza
alrededor de la carcasa y se empuja a través del puerto de salida. La bomba
genera flujo y, bajo presión, transfiere energía desde la fuente de entrada, que
es mecánica, hasta un actuador de potencia hidráulica.
Bombas de Paletas
-No Balanceadas:
La parte giratoria de la bomba, o el conjunto del rotor, se ubica fuera del centro
del anillo de leva o carcasa. El rotor está conectado a un motor eléctrico
mediante un eje. Cuando el rotor gira, las paletas se desplazan hacia afuera
19
debido a la fuerza centrifuga y hacen contacto con el anillo, o la carcasa,
formando un sello positivo. El fluido entra a la bomba y llena el área de volumen
grande formada por el rotor descentrado. Cuando las paletas empujan el fluido
alrededor de la leva, el volumen disminuye y el fluido se empuja hacia afuera a
través del puerto de salida.
-Balanceadas:
En la bomba de paletas no balanceada, que se ha descrito anteriormente, una
mitad del mecanismo de bombeo se encuentra a una presión inferior a la
atmosférica, mientras que la otra mitad está sometida a la presión total del
sistema. Esto da como resultado una carga en los costados sobre el eje
mientras se encuentra bajo condiciones de alta presión. Para compensar esto,
la forma del anillo en una bomba de paletas balanceada cambia de circular a
forma de leva. Con este diseño, los dos cuadrantes de presión se oponen entre
sí. Dos puertos se encargan de la entrada del fluido y otros dos bombean el
fluido hacia afuera. Los dos puertos de entrada y los dos puertos de descarga
están conectados dentro de la carcasa. Como se encuentran ubicados sobre
lados opuestos de la carcasa, la fuerza excesiva o la acumulación de presión
sobre uno de los lados es neutralizada por fuerzas equivalentes pero opuestas
sobre el otro lado. Cuando las fuerzas se equilibran, se elimina la carga en los
costados del eje.
Bombas de Pistón
Las bombas de pistón axial convierten el movimiento giratorio de un eje de
entrada en un movimiento axial de vaivén, que se produce en los pistones.
Esto se logra por medio de una placa basculante que es fija o variable en su
grado de ángulo. Cuando el conjunto del barril de pistón gira, los pistones giran
alrededor del eje con las zapatas de los pistones haciendo contacto con y
deslizándose sobre la superficie de la placa basculante.
20
Con la placa basculante en posición vertical, no se produce ningún
desplazamiento ya que no hay movimiento de vaivén. A medida que el ángulo
de la placa basculante aumenta, el pistón se mueve hacia adentro y hacia fuera
del barril siguiendo el ángulo de la placa basculante. En el diseño real, el barril
del cilindro está equipado con varios pistones.
Durante una mitad del círculo de rotación, el pistón se mueve hacia fuera del
barril del cilindro y genera un aumento del volumen. En la otra mitad de la
rotación, el pistón se mueve hacia adentro del barril del cilindro y genera una
disminución del volumen. Este movimiento de vaivén succiona fluido y lo
bombea hacia fuera.
Motor hidráulico
El motor hidráulico convierte la energía hidráulica en energía mecánica. El
motor hidráulico usa el flujo de aceite enviado por la bomba y lo convierte en un
movimiento rotatorio para impulsar otro dispositivo (por ejemplo, mandos
finales, diferencial, transmisión, rueda, ventilador, otra bomba, etc.).
2.- Depósito
Su misión es recuperar el fluido después de usarlo y mantener un nivel
adecuado al uso de la instalación. Véase 1.3.3.
3.- Acondicionadores del aceite
Son dispositivos que nos permiten mantener el aceite en unas condiciones de
limpieza adecuadas al uso de los elementos de la instalación, de tal manera,
que alarga la vida de ésta.
21
Estos elementos son:
Filtro: Es el encargado de retirar del aceite las partículas solidas en suspensión
(trozos de metal, plásticos, etc.)
El aceite puede filtrarse en cualquier punto del sistema. En muchos sistemas
hidráulicos, el aceite es filtrado antes de que entre a la válvula de control. Para
hacer esto se requiere un filtro más o menos grande que pueda soportar la
presión total de la línea. Colocado el filtro en la línea de retorno tiene también
sus ventajas. Unas de las mayores es su habilidad de atrapar materiales que
entran al sistema desde los cilindros.
El sistema impedirá que entre suciedad a la bomba. Esto es verdad siempre
que no se agreguen materias extrañas al tanque, Cualquiera de los dos tipos de
filtro en las tuberías debe equiparse con una válvula de derivación.
Manómetro: Se pone después de la bomba e indica la presión de trabajo.
4.- Red de distribución:
Debe garantizar la presión y velocidad del aceite en todos los puntos de uso. En
las instalaciones oleo hidráulicas, al contrario de las neumáticas, es necesario
un circuito de retomo de fluido, ya que este se vuelve a utilizar una y otra vez. El
material utilizado suele ser acero o plástico reforzado y depende de su uso.
5.- Elementos de regulación y control:
Son los encargados de regular el paso del aceite desde las bombas a los
elementos actuadores. Estos elementos, que se denominan válvulas, pueden
ser activados de diversas formas: manualmente, por circuitos eléctricos,
neumáticos, hidráulicos o mecánicos. La clasificación de estas válvulas se
puede hacer en tres grandes grupos: de dirección, anti retorno y de presión y
caudal.
22
7.3.1. Fluidos de Potencia.
La vida útil del sistema hidráulico depende en gran medida de la selección y del
cuidado que se tenga con los fluidos hidráulicos. Al igual que con los
componentes metálicos de un sistema hidráulico, el fluido hidráulico debe
seleccionarse con base en sus características y propiedades para cumplir con
la función para la cual fue diseñado.
Se usan líquidos en los sistemas hidráulicos porque tienen entre otras las
siguientes ventajas:
1. Los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene.
2. Los líquidos son prácticamente incompresibles.
3. Los líquidos ejercen igual presión en todas las direcciones.
-Los líquidos toman la forma del recipiente que los contiene:
Los líquidos toman la forma de cualquier recipiente que los contiene. Los
líquidos también fluyen en cualquier dirección al pasar a través de tuberías y
mangueras de cualquier forma y tamaño.
-Los líquidos son prácticamente incompresibles:
Un líquido es prácticamente incompresible. Cuando una sustancia se comprime,
ocupa menos espacio. Un líquido ocupa el mismo espacio o volumen, aun si se
aplica presión. El espacio o volumen ocupado por una sustancia se llama
“desplazamiento”.
De acuerdo con la Ley de Pascal, “la presión ejercida en un líquido, contenido
en un recipiente cerrado, se transmite íntegramente en todas las direcciones y
actúa con igual fuerza en todas las áreas”.
23
Por tanto, en un sistema cerrado de aceite hidráulico, una fuerza aplicada en
cualquier punto, transmite igual presión en todas las direcciones a través del
sistema.
Las principales funciones de los fluidos hidráulicos son:
• Transmitir potencia
• Lubricar
• Sellar
• Refrigerar
Transmisión de potencia
Puesto que un fluido prácticamente es incompresible, un sistema hidráulico
lleno de fluido puede producir potencia hidráulica instantánea de un área a otra.
Sin embargo, esto no significa que todos los fluidos hidráulicos sean iguales y
transmitan potencia con la misma eficiencia.
Para escoger el fluido hidráulico correcto, se deben tener en cuenta el tipo de
aplicación y las condiciones de operación en las que funcionará el sistema
hidráulico.
Lubricación
Los fluidos hidráulicos deben lubricar las piezas en movimiento del sistema
hidráulico. Los componentes que rotan o se deslizan deben poder trabajar sin
entrar en contacto con otras superficies. El fluido hidráulico debe mantener una
película delgada entre las dos superficies para evitar el calor, la fricción y el
desgaste.
24
Acción sellante
Algunos componentes hidráulicos están diseñados para usar fluidos hidráulicos
en lugar de sellos mecánicos entre los componentes. La propiedad del fluido de
tener acción sellante depende de su viscosidad.
Enfriamiento
El funcionamiento del sistema hidráulico produce calor a medida que se
transfiere energía mecánica a energía hidráulica y viceversa. La transferencia
de calor en el sistema se realiza entre los componentes calientes y el fluido que
circula a menor temperatura. El fluido a su vez transfiere el calor al tanque o a
los enfriadores, diseñados para mantener la temperatura del fluido dentro de
límites definidos. Otras propiedades que debe tener un fluido hidráulico son:
evitar la oxidación y corrosión de las piezas metálicas; resistencia a la
formación de espuma y a la oxidación; mantener separado el aire, el agua y
otros contaminantes; y mantener su estabilidad en una amplia gama de
temperaturas.
Viscosidad
La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido para fluir a una
temperatura determinada. Un fluido que fluye fácilmente tiene una viscosidad
baja. Un fluido que no fluye fácilmente tiene una viscosidad alta. La viscosidad
de un fluido depende de la temperatura.
Cuando la temperatura aumenta, la viscosidad del fluido disminuye. Cuando la
temperatura disminuye, la viscosidad del fluido aumenta. El aceite vegetal es un
buen ejemplo para mostrar el efecto de la viscosidad con los cambios de
temperatura.
Cuando el aceite vegetal está frío, se espesa y tiende a solidificarse. Si
calentamos el aceite vegetal, se vuelve muy delgado y tiende a fluir fácilmente.
25
Se pueden diferenciar tres clases básicas de fluidos hidráulicos, estos son los
siguientes:
a.- Líquidos de base acuosa: Aceite mineral en agua, Agua en aceite
mineral Agua con glicerina y Glicol – agua.
b.- Líquidos sintéticos: Esteres Fosfatados y Siliconas c.- Aceites minerales y
vegetales
En algunos textos se incluye una cuarta categoría que es la de los fluidos que
no causan daño al medio ambiente, esto se refiere a que el daño será mínimo
en caso de un derrame.
Aceite lubricante
Todos los aceites lubricantes se adelgazan cuando la temperatura aumenta y
se espesan cuando la temperatura disminuye. Si la viscosidad de un aceite
lubricante es muy baja, habrá un excesivo escape por las juntas y los sellos. Si
la viscosidad del aceite lubricante es muy alta, el aceite tiende a “pegarse” y se
necesitará mayor fuerza para bombearlo a través del sistema. La viscosidad del
aceite lubricante se expresa con un número SAE, definido por la Society of
Automotive Engineers. Los números SAE están definidos como: 5W, 10W,
20W, 30W, 40W, etc.
Aceites sintéticos
Los aceites sintéticos se producen por procesos químicos en los que materiales
de composición específica reaccionan para producir un compuesto con
propiedades únicas y predecibles.
El aceite sintético se produce específicamente para cierto tipo de operaciones
realizadas a temperaturas altas y bajas.
26
Fluidos resistentes al fuego
Hay tres tipos básicos de fluidos resistentes al fuego: mezclas de glicol-agua,
emulsiones de aceite-agua-aceite y fluidos sintéticos.
Los fluidos agua-glicol son una mezcla de 35% a 50% de agua (el agua inhibe
el fuego), glicol (químico sintético o similar a algunos compuestos con
propiedades anticongelantes) y espesantes del agua. Los aditivos se añaden
para mejorar la lubricación y evitar la oxidación, la corrosión y la formación de
espuma. Los fluidos a base de glicol son más pesados que el aceite y pueden
causar cavitación de la bomba a altas velocidades. Estos fluidos pueden
reaccionar con algunos metales y material de los sellos, y no se pueden usar
con algunas clases de pintura.
Las emulsiones de agua-aceite son los fluidos resistentes al fuego más
económicos. Al igual que en los fluidos a base de glicol, un porcentaje similar de
agua (40%), se usa como inhibidor al fuego. Las emulsiones agua-aceite se
usan en sistemas hidráulicos típicos. Generalmente contienen aditivos para
prevenir la oxidación y la formación de espuma.
Los fluidos sintéticos se usan bajo ciertas condiciones para cumplir
requerimientos específicos. Los fluidos sintéticos resistentes al fuego son
menos inflamables que los aceites lubricantes y mejor adaptados para resistir
presiones y temperaturas altas. Algunas veces los fluidos resistentes al fuego
reaccionan con el material de los sellos de poliuretano y en estos casos puede
requerirse el uso de sellos especiales.
Vida útil del aceite hidráulico
El aceite hidráulico no se desgasta. El uso de filtros para remover las partículas
sólidas y contaminantes químicos alargan la vida útil del aceite.
27
Sin embargo, eventualmente el aceite se contamina tanto que debe
reemplazarse. En las máquinas de construcción, el aceite se debe cambiar a
intervalos de tiempos regulares. Los contaminantes del aceite pueden usarse
como indicadores de desgaste no común y de posibles problemas del sistema.
7.3.2. Limitador de presión en sistemas hidráulicos
Son válvulas de seguridad que evitan la rotura de órganos mecánicos e
hidráulicos. Estas válvulas se llaman “normalmente cerradas”. Son o bien de
acción directa, o bien pilotadas y están siempre montadas en derivación. Su
tubo de drenaje puede ser interno o externo. Por lo general son regulables.
Válvulas de acción directa
Estas válvulas son de muchos tipos. Las más sofisticadas, montadas en los
circuitos de potencia, permiten un caudal máximo de salida de 150 litros /
minuto, bajo una presión de apertura de 200 bar. Sin embargo, es aconsejable
utilizarlas para aplicaciones de potencia más modestas para reducir el
calentamiento del fluido. Estas válvulas aseguran igualmente y con muy buen
rendimiento, la protección de los receptores.
Las más sencillas de estas válvulas están constituidas por:
Una bola, un asiento y un resorte calibrado (imagen 5).
Imagen 5
28
Una bola, un asiento, un resorte y un dispositivo de regulación del resorte
Una aguja o cono, un asiento y un resorte calibrado (imagen 6).
Imagen 6
Una aguja o cono, un asiento y un dispositivo de regulación del resorte (imagen
7).
Imagen 7
Una arandela de estanqueidad en elastómero o en plástico (imagen 8).
Imagen 8
Un cojín de aceite o tubo amortiguador (para minimizar el movimiento vibratorio
perjudicial de las bolas, las agujas o conos y de los émbolos, producto de las
altas presiones a que son sometidos (imagen 9).
Imagen 9
29
Válvulas de limitación de presión pilotadas
ºUna válvula de limitación de presión pilotada puede estar constituida según se
indica en la figura (imagen 10)
Imagen 10
La cara derecha del pistón principal (5) está dirigida hacia el fluido del circuito
de presión; un orificio (a) en el pistón (5) pone en comunicación la “presión del
circuito” con la cámara posterior de éste. Detrás del pistón (5) está situado un
resorte (4). En (R) figura el orificio de descarga: retorno al depósito (cuando
funciona la válvula). La cámara posterior del pistón (5) está unida “al piloto” (3)
por un orificio calibrado (b).El piloto no es más (que una válvula de limitación de
presión de “acción directa”.
El aceite que atraviesa el orificio (a) se encuentra tapado por el cono piloto (3)
comprimido contra su asiento por el resorte (2). En este croquis figura
igualmente un dispositivo de regulación (1) del resorte (2) y un retorno al
depósito (R’).Este retorno, de caudal extremadamente débil, es utilizado por el
fluido, antes del desplazamiento del pistón principal (5) y durante su apertura
(acción de descarga). La compresión del resorte (2) es quien determina el
calibrado de la válvula y por tanto el desplazamiento del pistón (5) hacia la
izquierda, mientras que el resorte (4) hace el papel de soporte y de acelerador
de cierre. Las características de compresión de este último resorte son muy
reducidas.
30
Debe tenerse en cuenta que, si el calibrado del resorte (2) determina la presión
de apertura, no gobierna el funcionamiento global de la válvula, lo cual se
explica de la forma siguiente:
El fluido del circuito puede penetrar en la cámara posterior del pistón principal
(5) por el orificio calibrado (a) y llegar frente al cono piloto (3) a través del orificio
calibrado (b). En el momento exacto en el que la presión en el circuito va a
alcanzar (pero aún no ha alcanzado) el valor de calibrado del resorte (2), la
presión en el conjunto de la válvula “pilotada”, es decir, detrás de (A), es
estática. En cuanto la presión ejerce sobre el cono piloto (3) un empuje
preponderante sobre el empuje antagónico ocasionado por el resorte (2), el
cono piloto (3) se desplaza hacia la izquierda y descubre el retorno (R’), por lo
que el fluido circula hacia el depósito por este orificio.
La sección del orificio (b) es muy superior a la del orificio (a); se comprende por
lo tanto que la pérdida en fluido por (b) no puede ser compensada por el caudal
que proviene de (a). Por lo tanto, de ello se deriva una pérdida de carga detrás
del pistón principal (5) que se desplaza francamente hacia la izquierda,
permitiendo un gran caudal de retorno hacia (R). Cuando la presión disminuye,
el cono del piloto vuelve a apoyarse sobre su asiento y el pistón principal cierra
el retorno hacia (R).
Ventajas e inconvenientes de las válvulas de limitación de presión pilotadas
Este tipo de válvulas tienen la ventaja de que prácticamente no vibran, además
de que permiten una gama de regulación más amplia; sin embargo, tomando en
cuenta que a partir del momento en que actúa la válvula, todo el fluido
transportado por la bomba regresa al depósito, por las dimensiones de ésta,
31
se da cierto calentamiento; así también, si no se tiene el cuidado suficiente
para mantener limpio el aceite que es transportado, éste puede obstruir la
sección del orificio del pistón principal.
7.3.3. Depósito hidráulico
Tanque hidráulico
La principal función del tanque hidráulico es almacenar aceite, aunque no es la
única. El tanque también debe eliminar el calor y separar el aire del aceite. Los
tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, y no deben dejar
entrar la suciedad externa. Los tanques hidráulicos generalmente son
herméticos. La imagen 11 muestra los siguientes componentes del tanque
hidráulico:
Imagen 11
32
Tapa de llenado - Mantiene los contaminantes fuera de la abertura usada para
llenar y añadir aceite al tanque. En los tanques presurizados la tapa de llenado
mantiene hermético el sistema.
Mirilla - Permite revisar el nivel de aceite del tanque hidráulico. El nivel de aceite
debe revisarse cuando el aceite está frío. Si el aceite está en un nivel a mitad de la
mirilla, indica que el nivel de aceite es correcto.
Tuberías de suministro y retorno - La tubería de suministro permite que el aceite
fluya del tanque al sistema. La tubería de retorno permite que el aceite fluya del
sistema al tanque.
Drenaje - Ubicado en el punto más bajo del tanque, el drenaje permite sacar el
aceite en la operación de cambio de aceite. El drenaje también permite retirar del
aceite contaminantes como el agua y sedimentos.
Tanque presurizado
Los dos tipos principales de tanques hidráulicos son: tanque presurizado y tanque
no presurizado. El tanque presurizado está completamente sellado. La presión
atmosférica no afecta la presión del tanque. Sin embargo, a medida que el aceite
fluye por el sistema, absorbe calor y se expande. La expansión del aceite comprime
el aire del tanque. El aire comprimido obliga al aceite a fluir del tanque al sistema.
La válvula de alivio de vacío tiene dos propósitos: evita el vacío y limita la presión
máxima del tanque (imagen 12).
Imagen 12
33
La válvula de alivio de vacío evita que se forme vacío en el tanque al abrirse y
permite que entre aire al tanque cuando la presión del tanque cae a 3,45 kPa (0,5
lb/pulg2).Cuando la presión del tanque alcanza el ajuste de presión de la válvula de
alivio de vacío, la válvula se abre y descarga el aire atrapado a la atmósfera. La
válvula de alivio de vacío puede ajustarse a presiones de entre 70 kPa (10 lb/pulg2)
y 207 kPa (30 lb/pulg2). Otros componentes del tanque hidráulico son:
Rejilla de llenado - Evita que entren contaminantes grandes al tanque cuando se
quita la tapa de llenado.
Tubo de llenado - Permite llenar el tanque al nivel correcto y evita el llenado en
exceso.
Deflectores - Evitan que el aceite de retorno fluya directamente a la salida del
tanque, y dan tiempo para que las burbujas en el aceite de retorno lleguen a la
superficie. También evita que el aceite salpique, lo que reduce la formación de
espuma en el aceite.
Drenaje ecológico - Se usa para evitar derrames accidentales de aceite cuando se
retira agua y sedimento del tanque.
Rejilla de retorno -Evita que entren partículas grandes al tanque, aunque no realiza
un filtrado fino.
Tanque no presurizado
El tanque no presurizado (imagen 13) tiene un respiradero que lo diferencia del
tanque presurizado. El respiradero permite que el aire entre y salga libremente. La
presión atmosférica que actúa en la superficie del aceite obliga al aceite a fluir del
34
tanque al sistema. El respiradero tiene una rejilla que impide que la suciedad entre
al tanque.
Imagen 13
Símbolos ISO del tanque hidráulico
La imagen 14 indica la representación de los símbolos ISO del tanque hidráulico
presurizado y no presurizado. El símbolo ISO del tanque hidráulico no presurizado
es simplemente una caja o rectángulo abierto en la parte superior. El símbolo ISO
del tanque presurizado se representa como una caja o rectángulo completamente
cerrado. A los símbolos de los tanques hidráulicos se añaden los esquemas de la
tubería hidráulica para una mejor representación de los símbolos.
Imagen 14
7.4. Cálculo de cilindros hidráulicos
Los cilindros hidráulicos de movimiento lineal son utilizados comúnmente en
aplicaciones en donde la fuerza de empuje del pistón y su desplazamiento son
elevados.
35
Los cilindros hidráulicos de movimiento giratorio pueden ser de pistón-cremallerapiñón y de dos pistones con dos cremalleras en los que el movimiento lineal del
pistón es transformado en un movimiento giratorio mediante un conjunto de piñón y
cremallera y el cilindro de aletas giratorias de doble efecto para ángulos entre 0° y
270°.
36
37
7.5. Circuitos hidráulicos básicos
El esquema que sigue representa un circuito hidráulico de fuerza clásico, donde el
elemento de trabajo es un cilindro de fuerza.
Los elementos constitutivos del circuito hidráulico son:
-
Un recipiente con aceite.
-
Un filtro
-
Una bomba para el aceite.
-
Una válvula de control que incluye una válvula de seguridad o sobre
presión y la respectiva palanca de mando.
-
El cilindro de fuerza.
-
Conductos de comunicación.
Mientras la palanca de accionamiento de la válvula de control está en su posición
de reposo (centro) el aceite bombeado por la bomba retorna libremente al
recipiente, de manera que el cilindro de fuerza se mantiene inmóvil.
Una vez que se acciona la palanca de control en cualquiera de las dos
direcciones, se cierra la comunicación del retorno libre al recipiente y se conecta la
salida de la bomba a uno de los lados del cilindro de fuerza mientras que el otro
lado se conecta al retorno. De esta forma la elevada presión suministrada por la
bomba actúa sobre el pistón interior del cilindro de fuerza desplazándolo en una
dirección con elevada fuerza de empuje.
38
El movimiento de la palanca de control en la otra dirección hace el efecto contrario
(imagen 15).
Imagen 15
7.6. Circuitos hidráulicos de dos presiones o acoplados
Si en algunos sistemas hidráulicos se dispusiese de tan solo una presión de
trabajo, la desproporción entre determinados componentes de los mismos y la
tarea que están llamados a realizar seria considerable. Por ejemplo, en una
prensa hidráulica la pieza puede colocarse en posición o sujetarse mediante un
cilindro hidráulico pequeño, pero el trabajo lo realiza otro de mayores dimensiones
y capacidad. Si las presiones de trabajo de ambos cilindros son iguales, el de
posicionamiento puede ser demasiado pequeño para realizar la función que se le
confía o el de mecanización de la pieza demasiado grande para que quepa en el
espacio que le corresponde.
39
También cabe que no pueda suministrase el caudal de aceite que precisa un
cilindro de diámetro muy grande, debido al coste tan elevado de las bombas.
Estas dificultades pueden obviarse optando por que una parte del sistema
funcione
a una determinada presión y la otra a una más baja o más alta. Frecuentemente,
en un circuito completo conviene emplear, escalonada o simultáneamente, varias
presiones distintas. Con un sistema de dos presiones puede reducirse
considerablemente la influencia que algunos factores, como el calor, el desgaste,
las fugas y el consumo de energía, ejercen sobre el sistema. Los métodos que se
emplean para obtener dos o más presiones en un sistema recurren a válvulas
reductoras, unidades de bombeo combinadas, válvulas de seguridad mandadas
por levas, bombas independientes e intensificadores.
Ejemplo circuito de prensa (imagen 16):
Imagen 16
40
7.7. Elementos de trabajo y control hidráulico
Elementos actuadores. Son los elementos que permiten transformar la energía del
fluido en movimiento, en trabajo útil. Son los elementos de trabajo del sistema y se
pueden dividir en dos grandes grupos: cilindros, en los que se producen
movimientos lineales y motores, en los que tienen lugar movimientos rotativos.
Elementos de mando y control. Tanto en sistemas neumáticos como en
hidráulicos, se encargan de conducir de forma adecuada la energía comunicada al
fluido en el compresor o en la bomba hacia los elementos actuadores.
7.7.1. Clasificación de los elementos hidráulicos y sus partes
En todo sistema neumático o hidráulico se pueden distinguir los siguientes
elementos:
Elementos generadores de energía. Tanto si se trabaja con aire como con un
líquido, se ha de conseguir que el fluido transmita la energía necesaria para el
sistema.
En los sistemas neumáticos se utiliza un compresor, mientras que en el caso de
la hidráulica se recurre a una bomba. Tanto el compresor como la bomba han de
ser accionados por medio de un motor eléctrico o de combustión interna.
Elemento de tratamiento de los fluidos. En el caso de los sistemas neumáticos,
debido a la humedad existente en la atmósfera, es preciso proceder al secado del
aire antes de su utilización; también será necesario filtrarlo y regular su presión,
para que no se introduzcan impurezas en el sistema ni se produzcan
sobrepresiones que pudieran perjudicar su funcionamiento.
41
Los sistemas hidráulicos trabajan en circuito cerrado, y por ese motivo necesitan
disponer de un depósito de aceite y también, al igual que en los sistemas
neumáticos, deberán ir provistos de elementos de filtrado y regulación de presión.
Elementos de mando y control. Tanto en sistemas neumáticos como en
hidráulicos, se encargan de conducir de forma adecuada la energía comunicada al
fluido en el compresor o en la bomba hacia los elementos actuadores.
Elementos actuadores. Son los elementos que permiten transformar la energía
del fluido en movimiento, en trabajo útil. Son los elementos de trabajo del sistema
y se pueden dividir en dos grandes grupos: cilindros, en los que se producen
movimientos lineales y motores, en los que tienen lugar movimientos rotativos.
42
7.7.2. Simbología
43
44
45
46
7.8 Gasto másico
El gasto másico o flujo másico , en física, es la magnitud que expresa la
variación de la masa en el tiempo. Matemáticamente es el diferencial de la
masa con respecto al tiempo. Se trata de algo frecuente en sistemas
termodinámicos,
pues muchos de ellos tuberías,
toberas,
turbinas,
compresores, difusores...— actúan sobre un fluido que lo atraviesa. Su unidad
es el kg/s.
Se puede expresar el flujo másico como la densidad ( , que puede estar en
función de la posición,
) por un diferencial de volumen:
donde Q se refiere al gasto hidráulico.
Este volumen a su vez se puede expresar como el producto de una superficie S
(el ancho de la tubería entrante, normalmente), que también puede depender de
la posición por un diferencial de longitud (la porción de dicha tubería cuyo
contenido entra en el sistema por unidad de tiempo).
Normalmente se supone flujo unidimensional, es decir, con unas densidades y
secciones constantes e independientes de la posición lo que permite reducirlo a
la siguiente fórmula:
47
donde:
= Gasto másico
= Densidad del fluido
= Velocidad del fluido
= Área del tubo corriente
o, integrando
En el caso de tener diversos flujos de entrada y salida se consideran la sumas
de estos. En un sistema en estado estacionario se puede deducir que la
variación de masa ha de ser 0 y por tanto podemos establecer:
donde:
= número de entradas
= número de salidas
Cumpliendo así con la Primera ley de la termodinámica.
48
7.9 coeficiente global de transmisión de calor
Podemos representar un equipo de transmisión de calor de doble tubo (imagen
17):
Imagen 17
En el siguiente esquema vemos representada la sección de doble tubo (imagen
18):
Imagen 18
El coeficiente global de transmisión de calor referido al área externa del tubo
interior, Uo, tiene la expresión:
49
Y el coeficiente referido al área interna:
Ri y Ro son las resistencias debidas a las incrustaciones que se pueden
producir en el interior y exterior del tubo interior, que dificultan la transmisión de
calor.
Ao: Área externa del tubo interior
Ai: Área interna del tubo interior
hi: Coeficiente de convección interior, del fluido 1
ho: Coeficiente de convección exterior, del fluido 2
K: Conductividad térmica del material del tubo
L: Longitud del tubo
Ro: Resistencia exterior debida a las incrustaciones del fluido 2
Ri: Resistencia interior debida a las incrustaciones del fluido 1
50
VIII. Plan de actividades
may 2013
Id.
Nombre de tarea
Comienzo
Fin
jun 2013
Duración
6
1
conocimiento del personal
06/05/2013
08/05/2013
3d
2
conocimiento de los materiales
09/05/2013
11/05/2013
3d
3
conocimiento del proceso
13/05/2013
15/05/2013
3d
4
conocimiento de las políticas
16/05/2013
18/05/2013
3d
5
entrevista a operadores
20/05/2013
21/05/2013
1.5d
6
entrevista con jefe de mantenimiento
21/05/2013
22/05/2013
1d
7
caminata por planta
22/05/2013
25/05/2013
3.5d
8
reunión para decidir proyecto
27/05/2013
27/05/2013
1d
9
adquisición de documentación
28/05/2013
31/05/2013
3d
10
toma de muestras
31/05/2013
06/06/2013
5.5d
11
análisis de muestras
07/06/2013
12/06/2013
4d
12
Analisis de intercambiador
12/06/2013
29/06/2013
15.5d
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Segunda parte diagrama de Gantt
jul 2013
Id.
Nombre de tarea
Comienzo
Fin
ago 2013
Duración
1
1
desarrollo del prototipo
01/07/2013
10/08/2013
36d
2
revisión de propuesta con directivos
12/08/2013
13/08/2013
2d
3
implementacion de sugerencias
14/08/2013
19/08/2013
5d
4
entrega de propuesta a planta
20/08/2013
21/08/2013
2d
5
medición de resultados
22/08/2013
26/08/2013
3.5d
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
51
21
22
23
24
25
26
IX. Recursos humanos y materiales
La tabla siguiente muestra los recursos que se requerirán para el desarrollo del
proyecto, así como el costo aproximado de cada uno y una columna adicional
donde se aprecia si la empresa ya cuanta con este material.
DESCRIPCION
Planos de forjadora hidráulica
COSTO
NA
EN EXISTENCIA
SI
Calibrador Vernier
$ 400.00
SI
Perica 18”
$ 500.00
SI
Martillo
$ 50.00
SI
Juego de llaves Allen estándar y milimétricas
$300.00
SI
Montacargas
NA
SI
Termómetro para líquidos
$200.00
SI
Termómetro de ambiente
$ 80.00
NO
Escalera tijera 5 peldaños
$1200.00
SI
Desengrasante
$250.00
SI
Equipo de soldadura
$7000.00
SI
Equipo oxicorte
$14000.00
SI
2m Angulo de 1”
$150.00
NO
Taladro
$350.00
SI
Broca para metal ¼
$80.00
NO
10 Tornillos Allen cuerda estándar de 3/8
$20.00
NO
Placa acero de 1m2 con un espesor de 1/8
$300.00
NO
52
X. Desarrollo del proyecto
10.1 Ley out de la empresa
La empresa está dividida en 5 células tal como se indica en la imagen 19, cada
una dedicada a proveedores en específicos, se cuenta en cada una de ellas con
cortadoras, troqueladoras y forjadoras.
Imagen 19 división de las células al
interior de la empresa.
10.2 Forjadora 27
Como se determino en los inicios de este proyecto, nuestro objeto de estudio es
la forjadora número 27 ubicada en la célula 1 como se indica en la imagen 20
es una maquina con una antigüedad de 10 años, diseñada especialmente para
hacer doble forja y dar forma en ambos extremos de la varilla al mismo tiempo,
consta por tal de 3 pistones con un volumen de 28.27 litros cada uno ubicados a
los costados y en la parte superior, un siclo dura aproximadamente 8 segundos
y el operador tarda en cambiar las piezas otros 3 dando en total 9 ciclos por
minuto con dos piezas en cada uno, poseen una bomba compuesta por dos
53
cartuchos que otorgan 60 y 17 galones, el cartucho chico alimenta el flujo
requerido por el pistón que mantiene fijas las piezas, a una presión de 2500 PSI
y los otros dos se encargan de forjarla.
Imagen 20 ubicación de maquina
27 dentro de célula 1.
10.3 Diagrama hidráulico
El diagrama hidráulico que se muestra a continuación en la imagen 21
corresponde a la forjadora 27 se pueden apreciar los siguientes elementos:
B
A
B
P
T
A
A
B
P
T
A
B
A
B
P
T
P
T
A
B
P
T
B
A
B
A
B
B
A
B
P
T
B
A
A
X
A
X
B
A
B
B
A
A
P
P
Y
A
T
T
B
P
B
T
Y
A
A
X
Imagen 21 diagrama hidráulico de forjadora 27
A
B
B
A
P
X
P
X
T
54
Tanque 200 gal.
Filtro succión of3-32-10
Bombas 452v60a 12-1aa-22r
Válvula check dt8p1 06 65 11
Válvula de alivio cg 06 f 50
Válvula de descarga upf1-c-12-a-w-20
Válvula de alivio Cpfs2s-12-fh-3s-mu-b5-20
Válvula check Dcpf2s-12-75-20
Válvula de alivio ct-06-f-50
Válvula direccional Dg4v 3s 0bl m u b5 60
Válvula direccional dg5v-10-8c-e-vm-b-10
Válvula proporcional kbfdg4v 5 2c 70 nz pc7h7 10
Enfriador de aire
Válvula check de 2”
Válvula check dt8p1 06 5 11
Válvula check pilot 4cg 10 da 21
Motor eléctrico 30 hp trifásico brida c
10.4 Aceite Lubra H 68
En todas las forjadoras el aceite que se utiliza es el fabricado por Lubra
denominado H 68 el cual es un
lubricante elaborado con aceites básicos
parafinados de alta calidad, filtrado y aditivado cuidadosamente para lograr
respuestas inmediatas en todos los sistemas hidráulicos, se recomiendan para
usarse en sistemas hidráulicos, servomecanismos, actuadores hidráulicos,
prensas, transmisiones de máquinas herramientas, compresores de aire que
requieran de aceites R&O, grúas, sistemas de levante de montacargas, bombas
de agua, etc. Y ofrece las siguientes propiedades.
.
55
• Alto nivel de limpieza permanente en el sistema.
• Excelente protección contra el desgaste.
• Alto índice de viscosidad, lo que les imparte una buena estabilidad térmica.
• Alta resistencia a la oxidación y corrosión.
• No dañan los sellos de los sistemas hidráulicos
• Alta resistencia a la formación de lodos
• Buena disipación del calor
• Baja volatilidad
La siguiente tabla muestra las características del aceite H68
56
10.5 Ubicación de radiador
Al ubicar el radiador se observaron algunas situaciones que posiblemente
ocasionarían problemas con la instalación del nuevo. El radiado actual está
ubicado en lo alto de la maquina forjadora por encima del depósito de aceite,
justo a un lado de la unidad hidráulica tal como se aprecia en la imagen 22 lo
sujetan 2 ménsulas hechas de tubo de 1.5” atornilladas en 4 puntos.
.
Imagen 22 se muestran las ménsulas que
sujetan el radiador
10.6 Radiador actual
El radiador actual se aprecia en la imagen 23 tiene las siguientes dimensiones;
Alto 30”, largo 25.5”, ancho 3”. El diseño que tiene es de tipo panal con 128
tubos intercambiadores de 10mm de diámetro con una longitud de 25.5” hechos
de cobre, que van de un deposito de entrada al depósito de salida. Todos y
cada uno están cubiertos por laminas en espiral que dan una vuelta al tubo
cada 2.5 milímetros, estas tienen las siguientes medidas; espesor de 0.63 mm
57
(imagen 24), diámetro exterior 24.21 mm imagen 25, diámetro interior 10mm
imagen 26,
Imagen 23 derecha radiador actual
Imagen 24 izquierda espesor de las laminas disipador
Imagen 25 derecha diámetro exterior de laminas disipadoras
Imagen 26 izquierda diámetro interior laminas disipadoras
58
10.7 Temperaturas otorgadas antes del proyecto
El equipo que tiene la forjadora recibe en promedio 77 galones por minuto la
temperatura como se mostro en los antecedentes de este proyecto, va
aumentando en relación al tiempo de encendido de la maquina, por la mañana
el aceite se encuentra a temperatura ambiente alrededor de los 15C, al final del
turno se obtiene una temperatura de 90C.
El aire dentro de la planta, en un día que será soleado es de 19C en promedio
por la mañana, y por la tarde es de 30C, el ventilador del radiador obtiene el
aire a esta temperatura y después de hacer la transferencia por convección
aumenta solo 4C por la tarde.
Por la mañana la eficiencia del radiador es mayor ya que el medio externo en el
cual se encuentra y el cual cumplirá la función de disipar el calor generado, se
encuentra a una temperatura menor.
10.8 Calculo eficiencia del radiador
Cabe mencionar que los datos usados a continuación son los que se tenían
antes de la implementación del nuevo radiador, el resultado al que pretendemos
llegar será conocer el número de tubos para que el desempeño del
intercambiador sea óptimo.
Para nuestros cálculos se tomaran las siguientes propiedades del aceite:
Temperatura de entrada del aceite (teac) =90
Temperatura de salida del aceite (tsac)= X
Calor especifico del aceite (ceac)=2000 J/Kg C
Densidad del aceite= 920 kg/
Coeficiente global de transferencia de calor del aceite (Uac)=420 W/M^2
59
Flujo másico del aceite (ṁac)=
Tasa de flujo másico del aceite (Tṁac)=
Para el aire se tienen los siguientes datos:
Temperatura de entrada del aire (teai) =30
Temperatura de salida del aire (tsai)= 36
Calor especifico del aire (ceai)=1012 J/Kg
Densidad del airee= 1.24 kg/
Coeficiente global de transferencia de calor del aire (Uai)=250 W/
Flujo másico del aire (ṁai)=
Tasa de flujo másico del aire (Tṁai)=
Las dimensiones del radiador ya fueron especificadas anteriormente y son
las siguientes:
Alto =30”
Largo= 25.5”
Ancho= 3”
Cantidad de tubos intercambiadores (x)= 128
Diámetro de los tubos (d)= 10mm
Longitud de los tubos (l)=25.5”=
Comenzaremos por conocer el área que abarca el ventilador:
Diámetro = largo de los tubos intercambiadores=25.5”=0.64m
Formula;
A=0.3216
60
Posteriormente calcularemos la velocidad del aceite.
Caudal otorgado= 77 gal/min=350 l=350 000
Diámetro de la manguera=2”=5.08 cm
Área transversal de la manguera= 20.26
Por lo tanto si, pasan 350 000
por una área de 20.26
tendrán que
pasar a 172.75 m/min = 2.9 m/s.
Calculo de flujo másico del aceite:
ṁac= (densidad ρ)(velocidad de flujo)(área del tubo corriente)
Sustituyendo:
ṁac= (920 kg/
)(2.0 m/s)(0.002026
)=324.32 kg/s
Calculo de tasa de flujo másico del aceite:
T ṁac= ṁac/60 = 324.32/60=5.405 kg/min
Calculo de flujo másico del aire:
Formula:
ṁai= (densidad ρ)(velocidad de flujo)(área del tubo corriente)
Sustituyendo:
ṁai= (1.24 kg/
)(50000 m/s)(0.3216
)=19939.2 kg/h=333.32 kg/h
61
Calculo de tasa de flujo másico del aire:
T ṁai= ṁai/60 = 333/32=5.405 kg/min
A continuación conoceremos el calor perdido por el aceite y ganado por el
aire.
Formula:
(ceac)( Tṁas)(teac-tsac)= (ceai)( Tṁai)(tsai-teai)
Despejando tsas y sustituyendo datos:
(2000 J/Kg*k)(5.405 Kg/ min)(90 -X)=(1012J/Kg*k)(333.32 Kg/ min)(36 -30 )
10810(90
)=2023919.04
90-X=2023919.04/10810
X=87.22
Esto indica que la nueva temperatura de salida del aceite (tsas) es 87.22 .
Calculo de coeficiente global de transferencia de calor U.
Formula:
Sustituyendo:
U=156.71
62
Calculo tasa de transferencia Q:
Formula:
Q=UA θ
Donde el área de los tubos intercambiadores está dada por A= N( dL)
Sustituyendo:
A=N((3.1416)(0.01m)(0.63m))=0.01079N
Y donde la tasa total de transferencia de calor Q está dada por:
Q=( T ṁac)(1x
)(teac-tsac)
Sustituyendo:
Q=( 5.405kg/s)(1x
)(90-80)=54.05x
W
Calculo de la diferencia de temperatura media logarítmica LMTD (θ):
Formula:
Sustituyendo:
63
Encontrando el numero de tubos necesarios para disipar el calor.
Fórmula:
Q=UA
Sustituyendo:
54.05x
=(156.71)(0.01979N)(55.59)
N=313.51
10.9 Análisis de resultados
El último dato que se obtuvo en los cálculos anteriores (N) con valor de 313.51
representa el número de tubos de las mismas características que los del
radiador original, para poder disipar el calor que genera el sistema.
El numero de tubos actual es de 128 menos de la mitrad de los recomendados
ocasionando que el calor se quede en el aceite que llega al depósito.
10.10 Sugerencia de nuevo radiador
Aunque se podría agrandar el radiador original o conectar 2 en serie, lo más
recomendable es cambiarlo, se ha detectado que el tipo de espiral que cubre
los tubos intercambiadores no es del todo eficiente, las nuevas tecnologías
afirman que las láminas otorgan una mayor transferencia de temperatura.
A continuación y de acuerdo al calor generado en el sistema se sugiere un
intercambiador que cubrirá los requerimientos de presión caudal y golpe de
ariete del sistema.
64
El área de este intercambiador es suficiente para disipar en corto tiempo el calor
generado, en lugar de ser dos radiadores conectados en serie se tiene un
radiador del doble de largo con dos ventiladores de ¼ HP que se encargan de
forzar el aire para incrementar su caudal.
El proveedor es American Industrial y los datos técnicos de la serie EOC
modelo 700 son los siguientes.
2. Motores de .25 HP,
Tres fases 440 v
Frecuencia de 60 HZ,
Admite conexiones de (208-230/460) Volt,
1725 RPM
Temperatura máxima 204 C
Flujo máximo 180 GPM
Capacidad térmica 225 hp (168 kw)
65
A continuación se muestra el cálculo necesario para confirmar que el
intercambiador propuesto cumplirá con los requerimientos del sistema.
HP= ((PSI)(GPM))/1714
HP=((3000)(77))/1714
HP= 134
El intercambiador ofrece una potencia máxima de 225 con lo cual el dato
encontrado esta dentro de lo esperado.
La nueva tecnología de American permite incrementar la transferencia de calor
hasta en un 100%, lo anterior logrado con las microláminas insertadas en el
interior del tubo intercambiador como se aprecia en la imagen 27.
Imagen 27 diseño de microláminas en el
interior del tubo.
La técnica de soldado entre las uniones de los tubos intercambiadores y los
tanques permite eliminar las fugas y alargar su periodo de vida con respecto a
los intercambiadores comunes (imagen 28).
Imagen 28 soldadura entre deposito y tubos
66
El diagrama siguiente (imagen 29) muestra las dimensiones y especificaciones
de nuestro nuevo radiador.
Imagen 29 dimensiones del intercambiador
La tabla siguiente muestra la variación ente los modelos diferentes de esta
serie, para nuestro cao será el OEC 700
67
Estos son algunos datos importantes del nuevo radiador.
El costo de este nuevo dispositivo es de $25 000.00.
10.11 Separación de succión y descarga
Se ha detectado a lo largo del proyecto que los tanques de la mayoría de las
maquinas forjadoras no cuentan con una separación entre la descarga y la
succión, esto agravando el problema de la temperatura.
Se recomienda soldar una placa de hierro dulce dentro del tanque a una altura
de ¾ partes por encima del fondo del depósito, dejando ¼ para el flujo del
aceite.
68
Lo anterior ayuda a sedimentar las partículas, permite que no se succione las
burbujas de aire generadas con el chorro de descarga además de que permite
que el flujo turbulento de la descarga se convierta en laminar antes de ser
nuevamente succionado e introducido al sistema
10.12 Modificación de base para nuevo radiador
Debido a que el nuevo radiador tendrá medidas diferentes al actual, será
necesario separar más las ménsulas tal como se aprecia en la imagen 30.
Imagen 30 base para el nuevo radiador
10.13 modificación de conexión eléctrica
Los motores con los que cuenta este nuevo intercambiador no modificaran en
nada el diagrama eléctrico ya que el motor que se tiene actualmente es de ½ hp
y los nuevos son de ¼ lo único que hay que hacer es conectar ambos al ITM
con el que se cuenta actualmente (imagen 31).
69
Imagen 31 relevador de motor, permanecerá sin
cambio alguno.
Lo anterior sin problema que la corriente demandada sea mayor a la
considerada por el anterior motor.
70
XI. Resultados obtenidos
Posterior a la instalación del nuevo intercambiador, la colocación de la placa
separadora dentro del tanque y la instalación de extractores en el techo de la
empresa para bajar la temperatura ambiente la forjadora no deberá generar
una temperatura mayor a los 50 .
Con esto la forjadora 27 funcionara sin problemas de temperatura, y se
obtendrán los siguientes resultados conforme a lo esperado.
ANTIGUO INTERCAMBIADOR
NUEVO INTERCAMBIADOR
Temperatura del aceite 90
Temperatura del aceite 50
Gasto
de
$53000.00
para
cada
Gasto de $4000.00 para cada cambio
cambio de sellos hidráulicos.
de sellos hidráulicos.
120 horas de tiempo extra al año por
10 horas de tiempo extra por concepto
concepto de cambio de sellos.
de cambio de sellos.
Disponibilidad de las maquinas de
Disponibilidad de las maquinas 95%.
89%.
71
XII. Conclusiones y recomendaciones
Los intercambiadores en un circuito hidráulico son un elemento indispensable
que ayudan a que la alta temperatura del aceite no dañe los sellos y retenes,
además de que impide fugas internas al no dilatarse los metales.
El nuevo radiador está capacitado para enfriar lo necesario además será capaz
de soportar las presiones que se manejan en el desagüe y resistir el golpe de
ariete.
El costo que tiene será recuperado a corto plazo como ya se vio en capítulos
anteriores.
Sin embargo, el óptimo desempeño del radiador depende en gran medida que
el medio donde disipe el calor esté a una temperatura ambiente para que sea
capaz de mantener su eficiencia.
El área de intercambio de un radiador está directamente relacionada con la
eficiencia del mismo, para situaciones posteriores se recomienda incrementar
el número de tubos o instalar un radiador más grande y por ende incrementar
el tamaño del ventilador.
Es recomendable sopletear el radiador cada mes, para retirar el polvo que se
acumula, debido al poco espacio que hay entre las láminas disipadoras, esto
mantendrá la temperatura en un rango normal.
Para que los gastos de mantenimiento se mantengan bajos es de vital
importancia llevar el calendario de mantenimiento preventivo con todas las
actividades necesarias y programar el cambio de sellos cada que el proveedor
lo indique.
72
Es de vital importancia instalar extractores eólicos de aire en el techo este
es un sistema de ventilación mecánico que opera a través de aireadores los
cuales
funcionan con la energía del viento en el exterior de la cubierta
aprovechando el diferencial de temperaturas externa e interna al edificio.
Al colocar un determinado número de extractores eólicos sobre el techo de un
inmueble, se genera un proceso continuo de circulación de aire. El aire más
caliente, que en condiciones normales se acumula en la parte superior del
interior del edificio, es succionado por los extractores -los cuales son
impulsados por el viento exterior- y desplazado hacia afuera. Este vacío es
compensado naturalmente por la entrada de aire fresco en la parte inferior del
edificio a través de ventanas, puertas, portones, rejillas de ventilación, etc.
Este proceso permanente de circulación de aire permite mejorar las
condiciones de habitabilidad del edificio eliminando no solo el calor excesivo
sino también la humedad, los olores, vapores, humos y demás elementos
perjudiciales que puedan
dependiendo
estar contenidos en
de
el ambiente del edificio
su
uso.
La velocidad de este proceso de circulación está dada por el caudal de aire
viciado que es desplazado del edificio y reemplazado por aire fresco en un
cierto período de tiempo. Así se da lugar al término “cantidad de renovaciones
horarias” que no es otra cosa que el número de veces que el volumen de aire
contenido en el interior del edifico es reemplazado en una hora.
La cantidad de renovaciones horarias necesarias para un cierto edificio marcan
un índice de confort en la habitabilidad del mismo y dependen del uso que se le
dé a este. Este número deseado de renovaciones horarias depende de la
73
cantidad y dimensión de los extractores eólicos y de la velocidad del viento.
Todo esto suponiendo que el edificio cuenta con entradas de aire suficientes ya
que la cantidad de aire saliente debe ser compensada de igual forma por aire
entrante- y que los extractores estén colocados correctamente en la parte más
alta posible de la cubierta.
El costo de estos aparatos es de $2163.00 más IVA de la marca Vent Home.
Se recomienda instalar en los puntos más altos de las áreas donde sean
requeridos.
Tabla de rendimientos y medidas de extractores eólicos.
Ejemplo
de
instalación,
extractores eólicos.
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XIV. Referencias bibliográficas
Auda José Antonio (1979). Transmisión de calor. Editorial Marcombo Boxareu
(capitulo 4-10 y 18, 19).
Manrique Valadez José Ángel (2001). Termodinámica 3ra edición. Editorial
Alfaomega (capitulo 15).
R.K. Rajput (2010) Ingeniería Termodinámica 3ra edición. Editorial Cengage
Learning (capitulo 15.1 al 15.5).
Trubeba Coronel Samuel (1954). Hidraulica 14ª edición. Editorial Continental
(capítulo IV - VI).
Yanus A. Cengel y Michael A. Boles (2003). Termodinámica 4ta edición.
Editorial McGraw Hill. (capitulo 4.4).
http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiadores.pdf
https://www5.uva.es/guia_docente/uploads/2012/442/41836/1/Documento23.pdf
http://www.ing.unlp.edu.ar/aeron/laclyfa/Carpetas/Catedra/Archivos/Hidaulica%20A.pdf
http://cursos.aiu.edu/Sistemas%20Hidraulicas%20y%20Neumaticos/PDF/Tema%201.p
df
http://itzamna.bnct.ipn.mx/dspace/bitstream/123456789/1642/1/ABUGABER.pdf
75