corrosión

INGENIERIA AMBIENTAL
DISEÑO DE ELEMENTOS DE EQUIPO
JOSE GONZALO PAREDES GARCÍA
NOVIE
Unidad
Temas
I.
Corrosión y Materiales
Conceptos Generales
Definición
Clasificación de los Procesos de
Corrosión
Reacciones de la Corrosión
Métodos de Medición y Prevención de la
corrosión
Materiales usados en los equipos
Selección de Materiales
Prácticas de Laboratorio
12
14
15
15
II.
Equipos y accesorios de flujo de fluidos
Tuberías.
Válvulas.
Bombas.
Agitadores.
Compresores.
Ventiladores.
Sopladores.
19
20
25
34
45
51
59
65
III.
Tanques, recipientes y chimeneas
Tanques atmosféricos.
Recipientes a presión.
Chimeneas.
66
67
70
76
IV.
Dispositivos de control y seguridad.
Válvulas de control.
Válvulas de seguridad.
Venteos atmosféricos.
85
86
87
90
V.
Cambiadores de Calor
Clasificación de intercambiadores y
partes principales.
Diseño térmico.
Diseño mecánico y especificación.
93
94
101
105
Equipos de manejo de sólidos
Secadores.
Molinos.
Transporte de sólidos.
Clasificadores.
110
111
120
130
142
VI.
Pág.
2
3
3
3
5
2
UNIDAD I
OBJETIVO
“CORROSIÓN Y MATERIALES”
Comprende la información disponible y actualizada sobre los
materiales comúnmente usados para la fabricación de los equipos de
proceso.
[Diseño d elementos de Equipo] | Ingeniería Ambiental
3
Conceptos Generales
Corrosión: Es la transformación indeseable de un material como consecuencia
del medio que lo rodea.
Se llaman agentes agresivos a aquellos que producen la corrosión, estos
pueden ser: la atmósfera, el agua de mar, el aire húmedo, los vapores ácidos,
etc. El fenómeno de corrosión se extiende a todos los materiales; pero
solamente se tendrá en cuenta la corrosión metálica. Todos los metales
pueden ser usados siempre que su velocidad de deterioro sea aceptablemente
baja. De este modo en corrosión se estudia la velocidad con que se deteriora
los metales y las formas en que dicha velocidad puede ser controlada.
Clasificación de los procesos de corrosión
La corrosión se puede clasificar según su morfología o según el medio en que
se desarrolla es decir
Clasificación según la forma
Cuando se quiere evaluar los daños producidos por la corrosión resulta muy
conveniente la clasificación según la forma.
a) Corrosión uniforme: El ataque se extiende en forma homogénea sobre toda
la superficie metálica y la penetración media es igual en todos los puntos. Esta
es la forma más benigna de corrosión pues permite calcular fácilmente la vida
útil de los materiales corroídos.
b) Corrosión en placas: Incluye los casos intermedios entre corrosión uniforme
y corrosión localizada. El ataque se extiende más en algunas zonas, pero se
presenta aún como un ataque general.
c) Corrosión por picado: Durante el picado, el ataque se localiza en puntos
aislados de superficies metálicas pasivas, propagándose hacia el interior del
metal en forma de canales cilíndricos. Este tipo de ataque, así como el
intergranular y el fisurante, son las formas más peligrosas bajo las cuales se
puede presentar la corrosión.
d) Corrosión intergranular: Se presenta como una franja estrecha de ataque
que se propaga a lo largo de los límites de grano.
Corrosión fisurante: Se conoce como corrosión bajo tensiones. Se presenta
cuando un metal está sometido simultáneamente a la acción de un medio
4
corrosivo y de tensiones mecánicas de tracción. Se forman fisuras que pueden
ser intergranulares o transgranulares y que se propagan hacia el interior del
metal, se puede llegar hasta la fractura del metal. La velocidad de propagación
oscila en general entre 1 y 10 mm/hora.
Clasificación según el medio
a) Corrosión química: Bajo esta denominación se estudian aquellos casos en
que el metal reacciona con un medio no-iónico (por ejemplo oxidación en aire a
altas temperaturas). Supongamos que exponemos una superficie metálica
limpia a la acción del oxígeno, el metal comenzará a reaccionar con el oxígeno
formando óxidos. Por ejemplo una pieza de Fe (metal que presenta más de una
valencia) calentada al aire seco, por encima de 500ºC se oxida a apreciable
velocidad formando una película con la siguiente estructura:
Se han producido reacciones redox sin la intervención de iones en solución y
no ha habido corrientes eléctricas recorriendo el metal.
Si el grado de corrosión se expresa como aumento de peso (por el óxido
formado) por unidad de área, se observa que la corrosión se propaga en forma
lineal con el tiempo.
5
b) Corrosión electroquímica: A temperatura ambiente la forma de corrosión más
frecuente y más seria es de índole electroquímica, este tipo de corrosión
implica un transporte de electricidad a través de un electrolito. En los procesos
de corrosión electroquímica circulan, sobre el material expuesto a corrosión,
corrientes eléctricas.
Durante la corrosión se cumplen las leyes de Faraday.
Las causas más frecuentes de estas corrientes eléctricas son:
i)
ii)
iii)
iv)
v)
vi)
El contacto de dos materiales diferentes, tal como ocurre con el
hierro en contacto con el cobre, el aluminio en contacto con el cobre,
el cobre en contacto con el zinc, etc. La unión de dos partes de un
mismo metal mediante un material de soldadura(Ej: Fe con Sn-Fe).
Presencia de fases diferentes de una misma aleación. (Ej: aceros
inoxidables).
Presencia de óxidos conductores de electrones. Por ejemplo óxido
de laminación en chapas de Fe.
Diferentes grados de aireación de una pieza metálica.
Corrientes inducidas por circuitos eléctricos mal aislados. Tal es el
caso de corrientes vagabundas en estructuras metálicas enterradas.
Impurezas, tensiones en el metal, etc.
Los factores anteriormente mencionados hacen que en el metal existan zonas
de diferente potencial, es decir aparecen zonas anódicas y zonas catódicas
(microelectrodos) que convierten al cuerpo metálico junto con el medio agresivo
en un gran conjunto de micropilas electroquímicas. El medio agresivo puede
ser la delgada capa de humedad que casi inevitablemente recubre a todo
cuerpo expuesto al aire atmosférico.
Reacciones que tienen lugar durante la corrosión
1) Reacciones anódicas: (en zonas anódicas)
Las reacciones anódicas que interesan son las de disolución del material
afectado, o sea, el pasaje de iones metálicos de la red metálica al medio
corrosivo.
Ejemplo:
Los electrones originan una corriente eléctrica que circula dentro del metal
(conducción metálica).
2) Reacciones catódicas: (en zonas catódicas)
Una de las reacciones catódicas más importantes que se produce en los
procesos de corrosión es la reducción del oxígeno.
6
Esta reacción ocurre en casi todos los procesos de corrosión en medio acuoso.
Otra reacción catódica importante, en especial en los casos de corrosión en
ácidos o en ausencia de oxígeno es la de desprendimiento de hidrógeno: pH<
4.3
El hidrógeno formado en esta reacción puede desprenderse y pasar al medio
ambiente o puede ser absorbido por un metal en proceso de corrosión. En el
segundo caso, el metal puede formar hidruros o fragilizarse. Otra reacción
catódica en zona bastante oxigenada puede ser:
Polarización
Dado que el proceso de corrosión electroquímica corresponde a los procesos
que tienen lugar en los electrodos de una pila galvánica, corresponde conocer
los potenciales de los mismos cuando a través de ellos circula corriente, es
decir cuando el circuito se ha cerrado (pila cortocircuitada).
La determinación de los potenciales de los electrodos de una pila cuando por
ellos circula corriente muestra que dichos potenciales varían apreciablemente.
Esta variación en el potencial de los electrodos cuando se hace circular
corriente por los mismos, se conoce como polarización. Es decir que la
polarización es el cambio en el potencial de un electrodo a medida que la
corriente fluye de o hacia él.
Existen diversas causas de la polarización entre ellas consideraremos:
a) Concentración iónica localizada en las zonas anódicas y catódicas
aumentada o disminuida debido a que la difusión de iones en un medio líquido
es lenta.
b) Películas de superficie. Las películas de superficie pueden estar presentes
desde antes del instante en que el metal y medio se pongan en contacto pero
también pueden formarse posteriormente como productos de las reacciones de
corrosión.
Las sustancias que las constituyen pueden ser sólidas (por ej: un producto
anódico insoluble, digamos, un óxido) o gaseosas (por ej: películas o aún
burbujas de gases como oxígeno o hidrógeno). Estas películas disminuyen o
impiden la difusión de iones o sustancias sin carga que forman parte den las
reacciones de corrosión(por ej: la llegada de gas oxígeno).
Si el electrodo se recubre completamente por una película de este tipo, la
corrosión ya no puede proseguir y entonces se dice que el metal está pasivado.
c) Existen otras causas de polarización y las cuales suelen actuar
simultáneamente y la contribución individual de cada una de ellas no es fácil de
estimar.
7
Curvas de Polarización
Las curvas de polarización muestran la interdependencia entre el potencial de
electrodo y la intensidad de corriente (relaciones i vs. E). Las curvas de
polarización pueden determinarse aplicando una corriente constante y
midiendo el potencial, repitiendo este procedimiento para diversos valores de
corriente y midiendo en cada caso el nuevo potencial alcanzado.
Otra forma de determinar la relación i-E es aplicando un potencial constante y
determinando la forma en que varía la corriente.
Curvas de polarización anódica. (E-log i)
Formas posibles que puede tomar una curva de polarización anódica
Si la sobretensión es pequeña se suele observar una relación lineal entre la
sobretensión y el logaritmo de la corriente.
En la zona 1-2 se dice que el metal se disuelve en forma activa.
En la zona 2-3 aparece una zona de pasividad (sobre el metal se forma una
película muy delgada de óxido que dificulta su disolución).
Si la película pasivante es aisladora, al aumentar el potencial el óxido pasivante
irá aumentando su espesor sin que se note un aumento importante de la
corriente, es la zona 3-4. (por ejemplo: Al, Zr, Te, etc).
Se dan otros casos en que ocurren otros fenómenos como los indicados por las
curvas 5, 6, 7.
8
Curva 5: cuando la película pasivante está formada por elementos que pueden
oxidarse a una valencia mayor y dar productos solubles, se nota también un
aumento de la corriente acompañado por disolución del metal. Este fenómeno
se conoce como transpasividad, y lo presentan elementos tales como el cromo,
o el manganeso, así como las aleaciones de que forman parte.
Curva 6: por encima de cierto potencial cuando hay presentes ciertos iones
”agresivos” cloruros, nitratos, bromuros, etc. La película pasivante puede
perder estabilidad y se produce un fenómeno de corrosión localizada, el picado
y lo presentan metales tales como el hierro, cromo, etc. (El picado crea
problemas muy serios).
Curva 7: Si el óxido pasivante es buen conductor de electrones una vez
alcanzado el potencial de desprendimiento de oxígeno, la solución comenzará
a descomponerse y se notará aumento en la corriente de corrosión.
Si el potencial se puede mantener entre los valores 3 y 8 la corrosión será
despreciable y se dice que hay protección anódica. Por debajo de 1 también la
corrosión se torna imposible.
Curvas de polarización catódica. (E-log i)
Las características más frecuentes de las curvas de polarización catódica son
las indicadas en la figura:
Diagrama de Evans
Se representan para un material sobre un mismo diagrama las curvas de
polarización anódica y catódica.
9
Donde se cortan las dos curvas queda determinado el potencial de corrosión y
la intensidad de corriente de corrosión.
Modificando adecuadamente la polarización anódica y/o la polarización
catódica se puede disminuir la intensidad de la corriente de corrosión según
muestran los siguientes gráficos:
Densidad de corriente y Velocidad de Corrosión
Conocida la densidad de corriente(intensidad de la corriente) a que se disuelve
un metal, es posible calcular la velocidad de corrosión del mismo expresada
como:
Ejemplo: Si una chapa de Fe se disuelve según la siguiente reacción:
A una densidad de corriente de 1A/cm2 se tiene (equivalente gramo del
Fe=27.8g).
Densidad del Fe =7.86 g/cm3
10
Análisis de algunos casos de corrosión
a) Objeto de hierro recubierto por una película de humedad, aireado y con pH
>4.3
Debido a los puntos de diferente potencial que se encuentran sobre la
superficie (micro electrodos), el trozo de Fe junto con el medio agresivo se
convierte en un gran conjunto de micropilas.
Reacciones que ocurren en los electrodos de estas micropilas:
i) Reacciones primarias
Los iones Fe2+ y OH- generados en diferentes puntos de la superficie de
contacto metal-solución acuosa se desplazan en sentidos opuestos en un
medio que además tiene gas oxígeno, y en las zonas en que se encuentran
forman óxido hidratado (hidróxido) de Fe(II).
Las sustancias que como el hidróxido de Fe(II) resultan de la primera de una
serie de reacciones que comienzan con la combinación del catión con el anión
disponible se llaman productos inmediatos de la corrosión.
ii) Reacciones secundarias
En una oxidación ulterior, ajena al proceso de corrosión electroquímica en sí el
“hidróxido” de Fe(II) se oxida a “hidróxido” de Fe(III). A continuación ambos
hidróxidos irán absorbiendo paulatinamente CO2 del medio agresivo,
produciéndose “carbonatos de Fe”. El depósito o mancha de “hidróxidos” y
“carbonatos” de Fe se llama herrumbre.
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Si el medio agresivo contiene otros aniones fuera del anión hidróxido, como por
ej. cloruros o sulfatos (ambos se hallan en el agua de mar) se formarán
también como productos las correspondientes sales de Fe.
La capa formada puede ser floja o porosa o bien adherente y protectora.
En el caso del Fe las capas de herrumbre formadas no son lo suficientemente
protectoras (se rompen y despegan fácilmente) y el metal sigue siendo
corroído. No ocurre esto por ejemplo con Al, Zn, Cr, etc. o algunas de sus
aleaciones en que la capa de óxido formada resulta realmente protectora.
Se advierte que el área catódica es de mayor aereación que el área anódica, y
como la capa de herrumbre generada por corrosión actúa como barrera entre el
metal subyacente y el oxígeno del medio agresivo, resulta que la corrosión
genera un área de superficie metálica poco expuesto al aire. De aquí, pues que
la corrosión produce otra área anódica con lo que se renuevan las condiciones
necesarias para que opere el mecanismo electroquímico antes descripto, es
decir, la corrosión se propaga.
Reconocimiento de los productos finales:
El ión Fe2+ se reconoce con hexacianoferrato(III) de potasio con el que dá un
compuesto azul(precipitado) hexaciano ferrato(III) de Fe(II).
El ion OH- se reconoce con fenolftaleína.
b) Zn y Cu sumergidos en agua que contiene O2 disuelto.
La corrosión electroquímica característica del Fe en soluciones de pH mayor
que 4.3 y en presencia de humedad se manifiesta también cuando dos metales
diferentes sumergidos en soluciones acuosas (o en agua) se conectan con un
conductor. Restringiendo las consideraciones a aquellos metales de los cuales
se conocen cationes metálicos divalentes en soluciones acuosas(caso del Fe,
Cu y Zn) puede formularse los procesos elementales del proceso
electroquímico asociado a la corrosión mediante las siguientes ecuaciones:
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Resulta así que habrá acumulación de OH- en la región catódica y ello se pone
de manifiesto aprovechando el viraje del indicador fenolftaleína incorporado a la
solución acuosa.
c) Metales de diferente potencial en contacto.
Un tornillo de bronce (Cu-Sn) en una chapa de Zn en un medio agresivo
adecuado (humedad + O2)
Se oxida el metal de < potencial de reducción. El Zn se corroe y el tornillo de
bronce actúa como cátodo.
Métodos de Medición y Prevención de la corrosión
Protección
A) Protección catódica
Para dar protección catódica hay que conectar el trozo de Fe (u otro metal) a
un cuerpo de menor potencial de reducción por ejemplo Mg (EºMg= -2.38V) y
expuesto al mismo medio agresivo. El Mg se convierte en ánodo y el Fe (EºFe=
-0.44V) se convierte en cátodo.
13
El ánodo agregado se corroe y tiene capacidad de proteger al trozo de Fe que
se transforma en un gran cátodo. El ánodo que se llama ánodo de sacrificio
debe ser renovado cada vez que se haya consumido.
Se protegerán así tanques, calderas, cascos de buques, tuberías sumergidas,
etc. Otra forma de dar protección es conectar el metal a proteger en forma
permanente al polo negativo de una fuente de corriente continua y de voltaje
adecuado. En general esto se realiza estableciendo una diferencia de potencial
constante de 1-2 volts entre el cuerpo a proteger y un ánodo que se entierra
(trozo de grafito, coque, etc.)
B) Protección anódica:
Por formación de capas de óxidos o bien se puede dar protección anódica por
formación de capas pasivantes de silicatos, cromatos, fosfatos. Estas capas se
forman en el lugar adicionando, por ejemplo al agua que circula por una
cañería, un silicato, cromato, o fosfato (por ejemplo cromato de sodio).
(El pH deber ser el adecuado para la formación de las capas por lo tanto en
estos casos se lo controla).
Otros recursos de protección consisten en la aplicación de capas adherentes,
impermeables sobre el metal a proteger. Se pueden usar para obtener estas
capas diferentes técnicas.
I)
II)
III)
Por electrodeposición del metal M de recubrimiento utilizando como
cátodo el cuerpo a proteger, como ánodo el metal M y una solución
electrolítica que contiene iones metálicos Mn+. Así por galvanoplastia
se depositan Zn, Cu, Cd, Sn, etc. sobre hierro.
Por pulverización del metal de recubrimiento sobre Fe.
Inmersión en caliente de cuerpos de Fe en el metal fundido que se
usa para el recubrimiento (casos de Zn, Sn y Pb).
Ejemplos:
• Zn sobre Fe = Fe galvanizado EºZn= -0.76V (ánodo),
EºFe=-0,44V (el Zn no sufre corrosión debido a la formación
de capas de óxidos pasivantes)
• Sn sobre Fe = Hojalata EºSn =-0,15V , EºFe=-0.44V. (El Sn
resulta anódico con respecto al Fe, debido a la formación de
iones complejos). Se puede proteger por recubrimiento de
14
capas no metálicas, por ejemplo pinturas especiales,
esmaltes, vidriados, etc.
Se puede proteger la corrosión electroquímica por dos tipos de métodos:
Materiales usados en los equipos
Lo anterior siempre basado en las normas que rigen los materiales de
construcción de los equipos específicos, de que se trate.
15
Selección de Materiales
La selección de los materiales de construcción de equipos será siempre en
base a los requerimientos técnicos y documentales específicos de cada equipo,
basados siempre en las Normas Técnicas correspondientes.
Un ejemplo se cita en la siguiente tabla:
PRÁCTICA 1
1ra. PARTE:
CARACTERIZACIÓN DE LAS ZONAS ANODICA Y CATODICA
Materiales y Substancias
Tubo en U
Placas de Zn y Cu recién limpiadas
Alambre de Cu
Cápsula de porcelana
Clavo de hierro
Alambre de Zn
Varilla de Cu
Alambre de Fe
Placa de acero
Papel de lija
SOLUCIÓN DE FENOLFTALEÍNA 1%
SOLUCIÓN 1 – NaCl 2-3% acuosa
SOLUCIÓN 2 – K3[Fe(CN)6] 0.1% acuosa
SOLUCIÓN 3 – Indicador - 100 cm3 solución 1 + 0,5 cm3 solución + 6 gotas de
solución de fenolftaleína
EXPERIMENTO 1:
Armar el dispositivo que indica la figura, llenar el tubo en U con agua.
Dentro de una de las ramas del tubo en U se sumerge la placa de Zn recién
limpiada. En la otra rama se coloca una pizca de Cu.
Se conectan ambas placas con un alambre de Cu.
Se agregan unas gotas de fenolftaleína en ambas ramas del tubo en U.
Al cabo de 2 horas, la solución en contacto con la placa de Cu, tomará
coloración rosada, la cual indica la formación de álcali (presencia de iones
hidróxidos)
16
EXPERIMENTO 2:
Se arrolla de manera compacta un alambre de Zn alrededor del clavo de Fe
(ver figura).
Todo esto se sumerge dentro de la cápsula de porcelana con la SOLUCIÓN 1
más 6 gotas de solución de fenolftaleína. Sobre la superficie del clavo
aparecerá una coloración rosada.
EXPERIMENTO 3:
Esta experiencia puede ser utilizada para detectar las áreas anódicas y
catódicas en el caso de 2 metales que están en contacto y sufren corrosión.
Agregar a 50 cm³ de SOLUCIÓN 1, 2 cm3 de la SOLUCIÓN 2 y 6 gotas de
solución de fenolftaleína.
Se sumerge en esta solución una varilla de Cu que tiene arrollado un alambre
de Fe (ver figura). Al cabo de 2-3 minutos aparecerá una coloración rosada
sobre el Cu y azul sobre el Fe.
EXPERIMENTO 4:
Colocar sobre la superficie de una placa de acero 1 gota de la SOLUCIÓN 3
(indicador). Como el medio es neutro, sobre el cátodo, superficie exterior de la
gota, ocurrirá el proceso de reducción del oxígeno con formación de OH-.
De esta manera, en el borde de la gota, aparecerá una coloración rosada.
En el ánodo, parte central de la gota, donde hay menor contacto con el oxígeno
del aire, ocurre la oxidación del Fe con formación de iones Fe2+. Aparecerá,
por lo tanto, una coloración azul debido a la reacción del K3[Fe(CN)6] con los
iones Fe2+en el ánodo
(centro de la gota).
Ecuación:
17
En el límite, entre el ánodo y cátodo aparecerá un anillo marrón de herrumbre,
resultante de la interacción de los Fe2+ con los OH- y la subsiguiente oxidación
de Fe(OH)2 a Fe(OH)3.
2da. PARTE: INHIBICION ANODICA
La formación de una tenue capa de un material firmemente adherido a las
regiones anódicas de la superficie de un metal corroible, es uno de los
procedimientos de protección que se realizan habitualmente, produciendo
películas de óxidos hidratados del elemento metálico base.
EXPERIMENTO 5: Pasivado.
Materiales y sUSTANCIAS:
Chapas de hierro común 5x10x0.2
HNO3 concentrado
H2SO4 concentrado
Papel de lija
Pulir con papel de lija dos chapas de hierro y limpiar bien la superficie.
Sumergir en un vaso con HNO3 concentrado una de las chapas durante uno o
dos minutos. Retirar y lavar. Luego, las dos chapas se sumergen en H2SO4
durante un minuto. Observar que la chapa tratada no se ataca (o el ataque es
mucho más lento) mientras que la chapa no pasivada se ataca rápidamente.
INFORME
Anotar todas las observaciones de las experiencias realizadas y escribir las
ecuaciones correspondientes
Ecuaciones:
• Exp.1
Anodo: Metal:
Ecuación:
Cátodo: Metal:
Ecuación
• Exp.2
Anodo: Metal:
Ecuación:
Cátodo: Metal:
Ecuación
• Exp.3
Anodo: Metal:
Ecuación:
18
Cátodo: Metal:
Ecuación
• Exp.4
Zona de la gota:
Ecuación:
Zona de la gota:
Ecuación.
19
UNIDAD II
OBJETIVO
“EQUIPOS Y ACCESORIOS DE FLUJO DE
FLUIDOS”
Comprende el diseño de los diferentes equipos para el manejo de
fluidos
[Diseño d elementos de Equipo] | Ingeniería Ambiental
20
TUBERIAS
La palabra tubería se refiere a un conducto cerrado de sección circular y
diámetro interior constante.
Es un conducto compuesto de tubos que cumple la función de transportar agua
u otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos. Cuando el
líquido transportado es petróleo, se utiliza la denominación específica de
oleoducto. Cuando el fluido transportado es gas, se utiliza la denominación
específica de gasoducto. También es posible transportar mediante tubería
materiales que, si bien no son un fluido, se adecuan a este sistema: hormigón,
cemento, cereales, documentos encapsulados, etcétera
El método más común de transportar fluidos de un punto a otro es impulsarlo a
través de un sistema de tuberías. Las tuberías de sección circular son las
ideales, estas ofrecen una gran resistencia estructural y la mayor sección
transversal.
Existen en el mercado diferentes tipos de tubos según su función y según su
material de fabricación.
CLASIFICACIÓN
Por el Tipo de Fluido
• Combustibles: líquidos, vapores y venteos
• Drenaje: pluvial , sanitario y aceitoso
• Servicios: agua potable y aire comprimido
Por el Uso
• Tuberías para fibra óptica
• Tuberías para drenaje corrugado
• Tuberías para cableado eléctrico
• Tuberías para tomas domiciliarias
TIPOS DE TUBERIAS
Se encuentran en uso común tres tipos de tubo:
• Estándar (STD),
• Extrafuerte (XS) o reforzado y
• Doble extrafuerte (XXS) 1.
Todos los tubos de diámetro mayor de 12” (hasta de 24”) se designan por sus
diámetros exteriores y se especifican por su diámetro exterior y el espesor de
pared
Los tubos de latón, cobre, acero inoxidable y aluminio tienen los mismos
diámetros nominales que los de hierro, pero sus secciones de pared son más
delgadas
1
Basados en ANSI B.36.10 y B.36.19
21
El tubo de plomo y los revestidos interiormente de plomo se usan en trabajos
de química. El tubo de fundición se emplea en las condiciones subterráneas de
agua o gas y para desagües de edificios
Otros tipos de tubos de usos generales se les conocen por sus nombres
comerciales, tales como tubo hidráulico, tubo comercial para revestimiento de
pozos, tubo API etc.
La mayoría de las instalaciones de tubería de diámetro pequeño de casa
habitación, edificios e industrias, para la conducción de agua caliente y fría, se
hacen con tuberías de cobre.
 Tubos flexibles y otros especiales.
Los tubos metálicos flexibles sin soldadura se usan para trasportar vapor,
gases y líquidos en todos los tipos de maquinas, tales como locomotoras,
motores Diesel, prensas hidráulicas.
Los tubos de cobre comerciales se encuentran en diámetros nominales de 1\8
a 12 pulg. y en 4 tipos conocidos como K, L, M y O. El tipo K es extrapesado
duro, el L es pesado duro, el M es estándar duro y el O es ligero duro.
FABRICACIÓN
Hay tres métodos de fabricación de tubería.
 Sin costura (sin soldadura). La tubería se forma a partir de un lingote
cilíndrico el cuál es calentado en un horno antes de la extrusión. En la
extrusión deforma con rodillos y posteriormente se hace el agujero
mediante un penetrador. La tubería sin costura es la mejor para la
contención de la presión gracias a su homogeneidad en todas sus
direcciones. Además es la forma más común de fabricación y por tanto
la más comercial.
 Con costura longitudinal. Se parte de una lámina de chapa la cual se
dobla dándole la forma a la tubería. La soladura que une los extremos
de la chapa doblada cierra el cilindro. Por tanto es una soldadura recta
que sigue toda una generatriz. Variando la separación entre los rodillos
se obtienen diferentes curvas y con ello diferentes diámetros de tubería.
Esta soldadura será la parte más débil de la tubería y marcará la tensión
máxima admisible.
 Con soldadura helicoidal (o en espiral). La metodología es la misma
que el punto anterior con la salvedad de que la soldadura no es recta
sino que recorre la tubería siguiendo la tubería como si fuese roscada.
Las tuberías se construyen en diversos materiales en función de
consideraciones técnicas y económicas. Suele usarse el hierro fundido dúctil,
acero, cobre, plomo, hormigón, polipropileno, PVC, PEAD.
22
Los tubos especiales se fabrican en una gran variedad de materiales, como
vidrio, acero, aluminio, cobre, latón, bronce al aluminio, asbesto, fibra, plomo y
otros.
Los tubos de plástico no se corroen y resisten un amplio grupo de substancias
químicas industriales, se emplea mucho en lugar del tubo metálico.
El cloruro de polivinilo, el polietileno y el estireno son los materiales plásticos
básicos.
El tubo metálico revestido interiormente de plástico tiene la ventaja de combinar
la resistencia mecánica del metal con la resistencia química del plástico
Tuberías de cobre: Su proceso de fabricación permite obtener tuberías con
paredes lisas y tersas. Además, para la conducción de fluidos sólo es
necesario un mínimo de medidas de presión. Éste es uno de los materiales
más utilizados por su gran resistencia ante la corrosión, su dureza y su gran
flexibilidad.
USOS Y APLICACIONES
USO DOMÉSTICO
•
Agua
Los materiales más comunes son hierro fundido dúctil, polibutileno,
polipropileno,polietileno cobre, plomo.
Actualmente el plomo se usa menos porque se ha descubierto que
puede ser nocivo para la salud.
•
Desagües
Los materiales más comunes son hierro fundido, PVC, hormigón o
fibrocemento. Los nuevos materiales que están reemplazando a los
tradicionales son el PEAD (Polietileno de Alta Densidad) y PP
(Polipropileno).
•
Gas
Suelen ser de cobre o hierro fundido (dúctil o laminar según las
presiones aplicadas), dependiendo del tipo de instalación, aunque si son
de un material metálico es necesario realizar una conexión a la red de
toma de tierra. También se están comenzando a hacer de PRFV en el
caso de tuberías de conducción con requerimientos térmicos y
mecánicos menos exigentes. además soportan altas presiones
•
Calefacción
El cobre es el material más usado en las instalaciones nuevas, mientras
que en instalaciones antiguas es muy común encontrar tuberías de
hierro. En redes enterradas se emplea tubería Preinstalada.
23
IDENTIFICACIÓN DEL TUBO
USOS
Estándar
•
Tubo para servicio mecánico
(estructural), tubo para servicio de
baja
presión,
tubo
para
refrigeración (para maquinas de
hielo), tubo para pistas de hielo,
tubo para desflemadoras.
De presión
•
Tubo para conducir líquidos, gases
o
vapores,
servicio
para
temperatura o presión elevadas, o
ambas cosas.
Para conductos
•
Tubo con extremos roscados o
lisos para gas, petróleo o vapor de
agua.
Para pozos de agua
•
Tubo, escareado y mandrilado,
para hincar y de revestimiento
para pozos de agua, tubo hincado
para pozos, tubo para bombas.
•
Tubo de revestimiento para pozos,
cañería de perforación
Artículos
tubulares
petrolíferos
para
campos
Accesorios:
Los accesorios se especifican por el nombre, el tamaño nominal del tubo y el
material.
Los acoplamientos o accesorios para conexión se clasifican en:
•
De derivación
• Tes
• Cruces
• Codos con salida lateral
•
Reducción
•
Ampliación
•
Desviación.
• Curvas
• Codos
• Curvas en U
24
25
VÁLVULAS
Se puede definir como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar,
detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza
movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más conductos.
Las Válvulas se utilizaban en la época Romana, no obstante la verdadera
aparición de las Válvulas en nuestro mundo data de la época de la Revolución
Industrial y la utilización del vapor como forma de energía capaz de mantener
las maquinas en funcionamiento. Es desde el Siglo XX cuando, al igual que
sucede con el resto de aparatos de ingeniería e industriales, se produce el
desarrollo de las Válvulas desde sus primitivos diseños a los sofisticados y
específicos de la actualidad.
FUNCIÓN DE LA VÁLVULA
Se determinará después de un estudio cuidadoso de las necesidades de
la unidad y del sistema para los cuales se destina la válvula
CATEGORIAS
•
válvulas de compuerta
•
válvulas de globo
•
válvulas de bola
•
válvulas de mariposa
•
válvulas de desahogo (alivio)
•
válvulas de apriete
•
válvulas diafragma
•
válvulas de macho
•
válvulas retención (check).
•
válvulas de seguridad
26
VÁLVULAS DE COMPUERTA
Es de vueltas múltiples, en la cual se cierra el orificio con un disco
vertical de cara plana que se desliza en ángulos rectos sobre el asiento.
Recomendada para
•
•
•
Uso poco frecuente.
Resistencia mínima a la circulación.
Mínimas cantidades de fluido o liquido atrapado en la tubería.
Cuando la válvula está totalmente abierta, el área de flujo coincide con el
diámetro nominal de la tubería, por lo que las pérdidas de carga son
relativamente pequeñas.
Este tipo de válvula no es recomendable para regulación o
estrangulamiento ya que el disco podría resultar erosionado.
Parcialmente abierta puede sufrir vibraciones.
Sus aplicaciones para servicio general, aceites y petróleo, gas, aire,
pastas semilíquidas, líquidos viscosos, vapor, gases y
líquidos
corrosivos.
27
Ventajas
•
•
•
•
•
Alta capacidad.
Cierre hermético.
Bajo costo.
Diseño y funcionamiento sencillos.
Poca resistencia a la circulación
Desventajas
• Control deficiente de la circulación.
• Se requiere mucha fuerza para accionarla.
• Produce cavitación con baja caída de presión.
• Debe estar cubierta o cerrada por completo
Tipo de material para el Cuerpo: bronce, hierro fundido, hierro, acero
forjado, acero fundido, acero inoxidable, plástico de PVC.
VÁLVULAS DE GLOBO
Las válvulas de globo son llamadas así por la forma esférica de su cuerpo.
El obturador tiene un movimiento lineal. La mayoría de los vástagos son
roscados, permitiendo su avance mediante múltiples giros, como en las
actuadas de forma manual con volante.
Es de vueltas múltiples, en la cual el cierre se logra por medio de un disco o
tapón que sierra o corta el paso del fluido en un asiento que suele estar
paralelo con la circulación en la tubería.
Se recomienda para estrangulación o regulación de circulación, para
accionamiento frecuente, para corte positivo de gases o aire.
Ventajas
• Estrangulación eficiente con estiramiento o erosión mínimos del
disco o asiento.
• Pocas vueltas para accionarla, lo cual reduce el tiempo y
desgaste en el vástago y el bonete.
•
Control preciso de la circulación.
Desventajas
•
•
Gran caída de presión.
Costo relativo elevado.
28
Son para uso poco frecuente. Cierre positivo. El asiento suele estar paralelo
con el sentido del flujo; produce resistencia y caída de presión
considerables.
VÁLVULAS MACHO
Cierre hermético. Deben estar abiertas o cerradas del todo. Orificio redondo
completo, orificio rectangular.
Tiene orificios de tamaño completo, por lo general rectangulares y con una
apertura mínima del 70% del tamaño de la tubería.
Orificio de venturi. Tiene aberturas redondas o rectangulares con superficie
reducida y con flujo de venturi en el cuerpo
Es de ¼ vuelta, que controla la circulación por medio de un macho
cilíndrico, que tiene un agujero en el centro, que se puede mover de la
posición abierta a la cerrada mediante un giro de 90° .
29
Ventajas
•
Alta capacidad.
•
Bajo costo.
•
Cierre hermético.
•
Funcionamiento rápido
Desventajas
•
Requiere alta torsión (par) para accionarla.
•
Desgaste del asiento.
•
Cavitación con baja caída de presión.
VÁLVULAS DE BOLA O ESFERA
Las válvulas de bola son de ¼ vuelta, en las cuales una bola taladrada
gira entre asientos elásticos, lo cual permite la circulación directa en la
posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el
conducto.
En la válvula de bola un macho esférico agujereado controla la
circulación del líquido. El sellado en válvulas de bola es excelente, la
bola contacta de forma circunferencial y uniforme el asiento, el cual
suele ser de materiales blandos.
Las aplicaciones más frecuentes de la válvula de bola son de
obertura/cierre. No son recomendables usarlas en servicios de
parcialmente abiertas por un largo tiempo bajo condiciones de alta caída
de presión a través de la válvula, ya que los asientos blandos pueden
tener tendencia a salir de su sitio y obstruir el movimiento de la bola.
30
Ventajas.
•
•
•
Pueden ser cerradas rápidamente, lo que puede producir un golpe
de ariete.
Bajo costo
Resiste altas temperaturas
Desventajas.
• No ofrecen una regulación tan precisa como la de una válvula de
globo.
Dentro de sus aplicaciones, e emplean para servicios de regulación e
interrupción, en especial para regulación de flujos de agua y aire a poca
presión, en tuberías de gran diámetro.
VÁLVULA TIPO MARIPOSA
Una válvula tipo mariposa es un dispositivo para interrumpir o regular el
flujo de un fluido en un conducto.
Las válvulas de mariposa son unas válvulas muy versátiles. Tiene una
gran capacidad de adaptación a las múltiples solicitaciones de la
industria, tamaños, presiones, temperaturas, conexiones, etc. a un coste
relativamente bajo.
El funcionamiento básico de las válvulas de mariposa es sencillo pues
sólo requiere una rotación de 90º del disco para abrirla por completo. La
operación es como en todas las válvulas rotativas rápida.
Las válvulas de mariposa pueden estar preparadas para admitir
cualquier tipo de fluido gas, líquido y hasta sólidos. A diferencia de las
válvulas de compuerta, globo o bola, no hay cavidades donde pueda
acumularse sólidos impidiendo la maniobrabilidad de la válvula.
La presión y temperatura de diseño son factores relacionados, a una
misma presión, con el aumento de la temperatura, baja las prestaciones
de la válvula por la menor capacidad que tienen los materiales a altas
temperatura. De la misma forma que las válvulas de compuerta, globo, y
bola, admite asientos metálicos que pueden soportar grandes presiones
y temperaturas extremas.
31
Ventajas
•
•
•
Estas válvulas son de baja presión y diseño sencillo,
soliéndose usar para controlar el flujo y regularlo.
Son de operación rápida, ya que solo necesita un cuarto de
vuelta para pasar de la posición de cerrado a la posición de
abierto, teniendo además una pequeña caída de presión
dado a que no alteran la dirección del fluido.
Se puede utilizar en todos los servicios con agua,
exceptuando aquellos en los que sea necesario un
estrangulamiento extremo, dado a que el desgaste
excesivo del forro interior acorta la vida de la válvula.
Desventajas
• No tiene cierre hermético
• No trabaja a altas presiones
VÁLVULA DE DESAHOGO
Es de acción automática para tener regulación de la presión.
El uso principal de esta válvula es para servicio no comprimible y se abre
con lentitud conforme aumenta la presión, para regularla.
Ventajas
• Bajo costo.
• No se requiere potencia auxiliar para la operación.
• Desahogo de seguridad para válvulas utilizadas en servicio
corrosivo.
Dentro de sus aplicaciones para Agua caliente, vapor de agua, gases,
vapores, ejemplo. Calderas.
Se debe instalar de acuerdo con las disposiciones del Código ASME
para recipientes de presión.
El tamaño de las válvulas de desahogo es muy importante y se
determina mediante formulas especificas.
32
VÁLVULAS DE DIAFRAGMA
Son de vueltas múltiples y efectúan el cierre por medio de un diafragma
flexible sujeto a un compresor. Cuando el vástago de la válvula hace
descender el compresor, el diafragma produce sellamiento y corta la
circulación.
En las válvulas de diafragma se aísla el fluido de las partes del
mecanismo de operación. Esto las hace idóneas en servicios corrosivos
o viscosos, ya que evita cualquier contaminación hacia o del exterior.
Ventajas
• Bajo costo.
• No tienen empaquetaduras.
• No hay posibilidad de fugas por el vástago.
• Inmune a los problemas de obstrucción, corrosión o formación de
gomas en los productos que circulan.
Desventajas
•
•
Diafragma susceptible de desgaste.
Elevada torsión al cerrar con la tubería llena.
Dentro sus aplicaciones se utiliza para limitar la presión o la temperatura de
flujos de gases, vapores o líquidos. Para liberar grandes cantidades de flujo.
Fluidos corrosivos, materiales pegajosos o viscosos, pastas semilíquidas
fibrosas, lodos, alimentos, productos farmacéuticos.
Suele colocarse en aquellos servicios que la presión se eleve por encima de
0,5 kilos centímetro cuadrado, sobre la presión normal del servicio.
VÁLVULAS DE RETENCIÓN (CHECK)
Una válvula de retención de elevación es similar a la válvula de globo,
excepto que el disco se eleva con la presión normal e la tubería y se
cierra por gravedad y la circulación inversa.
33
Es recomendada cuando hay cambios frecuentes de circulación en la
tubería. En Tuberías para vapor de agua, aire, gas, agua y vapores con
altas velocidades de circulación.
Ventajas
• Recorrido mínimo del disco a la posición de apertura total.
•
Acción rápida.
Desventajas
• Poca seguridad
VÁLVULAS DE SEGURIDAD
Dispositivo empleado para evacuar el caudal del fluido necesario de tal
forma que no se sobrepase la presión de timbre del elemento protegido
34
Se Clasifican:
BOMBAS
Una necesidad muy antigua presentada al ser humano, fue la necesidad de
transportar el agua de un lugar a otro, por lo que empezó a idear diversos
mecanismos para su solución, iniciando así el desarrollo tecnológico en
sistemas de bombeo.
Una bomba sirve para producir una ganancia en carga estática de
un fluido procedente de una energía mecánica que se transmite
en su eje por medio de un motor.
Hay una diversidad de mecanismos de bombeo (bombas), cuya capacidad,
diseño y aplicación cubren un amplio rango que va desde pequeñas unidades
utilizadas para dosificación de cantidades mínimas, hasta bombas centrifugas
que son capaces de manejar grandes volúmenes para surtir de agua a las
grandes concentraciones urbanas. Su variedad de diseños cubren desde
diferentes principios de operación, hasta bombas especiales para manejo de
sustancias tan diversas como el agua, metales fundidos, concreto, etc., gastos
diferentes y materiales de construcción. Una bomba es una turbo máquina
generadora para líquidos. La bomba se usa para transformar la energía
mecánica en energía hidráulica.
Las bombas se emplean para bombear toda clase de líquidos, (agua, aceites
de lubricación, combustibles ácidos, líquidos alimenticios, cerveza, leche, etc.).
También se emplean las bombas para bombear los líquidos espesos con
sólidos en suspensión, como pastas de papel, melazas, fangos, desperdicios,
etc.
35
CLASIFICACIÓN
Debido a la diversidad de bombas ya mencionadas, hay muchas formas de
clasificar las bombas. Por rangos de volúmenes a manejar, por fluidos a mover,
etc. Sin embargo, la clasificación más general es en función de la forma en que
las bombas imprimen el movimiento al fluido, separándose en dos tipos
principales.
Las bombas se clasifican según las consideraciones generales diferentes:
1. La que toma en consideración la características de movimiento de los
líquidos.
2. La que se basa en el tipo de aplicación especifica para los cuales se
ha diseñado la bomba.
Clasificación de bombas
.
Clases y tipos.- Hay tres clases de bombas en uso común del presente:
•
•
•
Centrífuga
Rotatoria
Reciprocante
36
Se aplican solamente a la mecánica del movimiento de líquido y no al
servicio para que sea diseñada una bomba.
BOMBAS CENTRÍFUGAS
Las bombas centrífugas, debido a sus características, son las bombas
que más se aplican en la industria. Las razones de estas preferencias son
las siguientes:
• Son aparatos giratorios.
• No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son
muy sencillos
Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la
energía mecánica de un impulsor rotatorio llamado rodete en energía
cinética y potencial requeridas. El fluido entra por el centro del rodete, que
dispone de unos álabes para conducir el fluido, y por efecto de la fuerza
centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa
o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conduce hacia las
tubuladuras de salida o hacia el siguiente rodete.
Dada la constante necesidad de transportar grandes cantidades de fluidos
por largas distancias, las bombas centrifugas, han tomado un papel
protagónico en procesos asociados a todo tipo de industrias, inclusive en
aplicaciones domesticas simples.
Corte esquemático de una bomba centrífuga.
1a Carcasa
1b Cuerpo de bomba
2 Rodete
3 Tapa de impulsión
4 Cierre del eje
5 Soporte de cojinetes
6 Eje.
37
Las bombas centrífugas mueven un cierto volumen de líquido entre dos
niveles; son pues, máquinas hidráulicas que transforman un trabajo
mecánico en otro de tipo hidráulico.
Los elementos constructivos de que constan son:
a) Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de
aspiración.
b) El impulsor o rodete, formado por una serie de álabes de diversas
formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido
solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba.
El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta el centro
del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio
de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas),
o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleración y
absorbiendo un trabajo.
Los álabes del rodete someten a las partículas de líquido a un
movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior
por la fuerza centrífuga, de forma que abandonan el rodete hacia la
voluta a gran velocidad, aumentando su presión en el impulsor según la
distancia al eje. La elevación del líquido se produce por la reacción entre
éste y el rodete sometido al movimiento de rotación; en la voluta se
transforma parte de la energía dinámica adquirida en el rodete, en
energía de presión, siendo lanzados los filetes líquidos contra las
paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubería de impulsión.
La carcasa, (voluta), está dispuesta en forma de caracol, de tal manera,
que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior; la
separación va aumentando hasta que las partículas líquidas se
encuentran frente a la abertura de impulsión; en algunas bombas existe,
a la salida del rodete, una directriz de álabes que guía el líquido a la
salida del impulsor antes de introducirlo en la voluta
38
La estructura de las bombas centrífugas es análoga a la de las turbinas
hidráulicas, salvo que el proceso energético es inverso; en las turbinas
se aprovecha la altura de un salto hidráulico para generar una velocidad
de rotación en la rueda, mientras que en las bombas centrífugas la
velocidad comunicada por el rodete al líquido se transforma, en parte, en
presión, lográndose así su desplazamiento y posterior elevación.
BOMBAS ROTATORIAS
Son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que
contiene engranes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc.
La bomba rotatoria descarga un flujo continuo, aunque generalmente se
les considera como bombas para líquidos viscosos
La orientación de la rotación, siempre se determina cuando se está
frente al eje. esta regla aplica al eje de la bomba y al eje de mando.
Se dice que una bomba es de desplazamiento positivo, cuando su
órgano propulsor contiene elementos móviles de modo tal que por cada
revolución se genera de manera positiva un volumen dado. Este tipo de
bombas la energía mecánica recibida se transforma directamente en
energía de presión que se transmite hidrostáticamente en el sistema
hidráulico.
Tipos de Bombas Rotatorias
• Bombas de Émbolo Rotatorio
• Bombas de Engranes Externos
• Bombas de Engrane Interno
• Bombas Lobulares
Bombas de Émbolo Rotatorio:
Consiste en un excéntrico con un brazo ranurado en la
parte superior. La rotación de la flecha hace que el
excéntrico atrape el liquido contra la caja. Conforme
continúa la rotación el liquido se fuerza de la caja a través
de la ranura a la salida de la bomba.
39
Bombas de Engranes Externos:
Éstas constituyen él tipo rotatorio más simple. Conforme los
dientes de los engranes se separan en el lado el líquido
llena el espacio, entre ellos.
Éste se conduce en
trayectoria circular hacia afuera y es exprimido al engranar
nuevamente los dientes. Los engranes pueden tener
dientes simples, dobles, o de involuta.
Bombas de Engrane Interno.
Este tipo tienen un rotor con dientes cortados internamente
y que encajan en un engrane, cortado externamente.
Puede usarse una partición en forma de luna creciente para
evitar que el líquido pase de nuevo al lado de succión de la
bomba.
Bombas Lobulares:
Éstas se asemejan a las bombas del tipo de engranes en
su forma de acción, tienen dos o más rotores cortados con
tres, cuatro, o más lóbulos en cada rotor. Los rotores se
40
Sincronizan para obtener una rotación positiva por medio
de engranes externos, debido a que el líquido se descarga
en un número más reducido de cantidades mayores que en
el caso de la bomba de engranes.
Bombas de Tornillo:
Estas bombas tienen de uno a tres tornillos roscados
convenientemente que giran en una caja fija. Existe un gran
número de diseños apropiados para varias aplicaciones.
Las bombas de un solo tomillo tienen un rotor en forma
espiral que gira excéntricamente en un estator de hélice
interna o cubierta. El rotor es de metal y la hélice es
generalmente de hule duro o blando, dependiendo del
líquido que se maneje. Las bombas de dos y tres tornillos
tienen uno o dos engranes, respectivamente, el flujo se
establece entre las roscas de los tornillos, y a lo largo del
eje de los mismos.
Bombas de Aspas Oscilantes:
Tienen una serie de aspas articuladas que se balancean
conforme gira el motor, atrapando al liquido y forzándolo en
el tubo de descarga de la bomba. El liquido atrapado entre
las dos aspas se conduce con fuerza hacia la descarga de
bomba.
41
Las bombas rotatorias descargan un gasto constante independiente de
las presiones variables de descarga. El desplazamiento de una bomba
rotatoria varia en forma directamente proporcional con la velocidad, sólo
que la capacidad puede verse afectada por viscosidades y otros
factores.
BOMBAS RECIPROCANTES
Como su nombre lo indica, producen el bombeo de fluidos con base a un
movimiento reciprocante de uno o varios pistones, siendo por ello
también bombas de desplazamiento positivo. La bomba reciprocante
tiene la particularidad de producir un flujo pulsante en función del
movimiento de su(s) pistón(es). Su capacidad máxima de succión
recomendada es de 0.65 atmósferas (6.5 metros de columna de agua)
(aunque teóricamente pueden succionar a 1 atmósfera), y pueden
construirse para trabajar a presiones hasta de 1,000 kg/cm2. Por sus
características, su aplicación es amplia donde se requieren altas
presiones, o volúmenes controlados de fluido, por lo que se usan mucho
en líquidos de alta viscosidad y en el campo de medición y dosificación.
Las bombas reciprocantes no hacen succión en los fluidos a manejarse.
Al avanzar el pistón se hace una reducción de presión en la cámara de
succión, requiriéndose de una fuerza externa (generalmente la presión
atmosférica) que empuja el fluido a la cámara. La capacidad o flujo a
manejarse por la bomba está en función de la velocidad, y existe una
interrelación entre la temperatura y la viscosidad del fluido, que afectan
también la capacidad en el manejo del fluido.
La variación de la “Carga” con respecto a la “Capacidad”, a la velocidad
constante, representa la “Característica de una Bomba”. Un juego
completo de características de bombas, también incluye eficiencia y
curvas de potencia requerida (BHP). Las variables que intervienen en el
comportamiento de la curva característica de una bomba se describen a
continuación.
Capacidad: Se refiere al volumen del fluido bombeado por unidad de
tiempo. También llamado “gasto”, y se expresa en litros por minuto,
metros cúbicos por minuto, galones por minuto, o unidades equivalentes.
Algunos factores de conversión útiles son los siguientes:
1 ft3/seg = 448.8 gpm
1’000,000 galones/día = 694.4 gpm
1,000 barriles por día = 29.2 gpm
1 litro por segundo = 15.95 gpm
42
Presión de Descarga, Presión de Succión y Carga Total: En un
sistema típico de bombeo, se involucran tres términos diferentes de
presión, que deben identificarse claramente, estos son: Presión de
descarga, Presión de succión y Presión o Carga Total, de donde:
Pt = Pd –(Ps), Ps puede ser negativa o positiva.
En el arreglo típico de la siguiente figura se muestra la manera de
identificar los tres diferentes términos de presión, relacionados con la
posición de la bomba. La presión de descarga se refiere a la altura a la
cual puede ser bombeado un fluido, expresándose en unidades de
longitud de columna de agua (o en kg/cm2 o Psig). La presión de
succión se refiere a la altura desde la cual el fluido puede ser succionado
por la bomba, pudiendo ser presión de succión positiva o negativa,
dependiendo de la posición relativa de la bomba con el nivel el fluido. La
presión total se refiere a la diferencia entre la Presión de descarga y la
Presión de succión. En una bomba centrífuga, la carga total dinámica se
expresa así:
H = Hd - Hs + (Vd)2 / 2g - (Vs)2 / 2g
Hd = Carga a la salida o descarga de la bomba, medida en la tobera de
descarga, expresada en pies de columna referida a la línea de centros
de la flecha de la bomba.
Hs = Carga de succión, expresada en pies de columna, también referida
a la línea de centros de la flecha de la bomba.
Vd = Velocidad del flujo de descarga de la bomba.
Vs = Velocidad del flujo de succión de la bomba.
Los últimos dos términos representan la diferencia de energía cinética o
carga de velocidad entre toberas de succión y descarga.
NPSH (Carga Neta Positiva de Succión):
NPSH (iniciales para Net Positive Suction Head), en español conocida
como la carga neta positiva de succión, se define como la lectura de
presión, medida en pies o metros de columna de líquido, tomada de la
boquilla de succión, referida a la línea de centro de la bomba, menos la
presión de vapor del líquido correspondiente a la temperatura del líquido,
más la carga de velocidad en el mismo punto. Es la carga estática que
recibe la bomba en la succión menos las pérdidas en la propia tubería de
succión.
43
NPSH = {(Ps – Pvp) * 2.31 / densidad relativa} + hs - hfs
Ps = Presión de succión en pies.
Pvp = Presión de vapor del fluido, en Psi.
hs = Carga estática en pies.
hfs = pérdidas por fricción a la succión en pies.
Una bomba no puede operar adecuadamente si no tiene un mínimo de
NPSH especificado, para cada diseño y condiciones de operación.
NPSH = Patm + hs - hfs - [(Vs)2 / 2g]
Eficiencias de la Bomba: El grado de perfección mecánico o hidráulico
de una bomba es juzgado por su eficiencia bruta, definida como sigue:
Eficiencia = (Salida de la Bomba) / BHP = QgH / (550 * BHP) = (gpm * H) / (3960 * BHP)
Donde:
Q = Capacidad o gasto en ft3 / seg
g = Peso específico del líquido = 62.4 lb/ft3
BHP = Potencia recibida por la flecha de la bomba.
Curvas Características y Leyes de Afinidad:
La carga, capacidad y potencia requerida de una bomba varían con la
velocidad de tal manea que las curvas de desempeño retienen sus
características. Esta variación se le conoce como “Leyes de Afinidad”.
Aplicable en cualquier punto de la curva Carga v.s. Capacidad, estas
leyes establecen que:
•
•
•
Cuando la velocidad se cambia, la capacidad (flujo), varía
directamente con la velocidad.
La carga varía directamente con el cuadrado de la velocidad.
La potencia BHP varía directamente con el cubo de la velocidad.
Q1 / Q2 = n1 / n2; H1 / H2 = (n1 / n2)2; (BHP)1 / (BHP)2 = (n1 / n2)3
TIPOS DE PÉRDIDAS DE LAS BOMBAS
Toda la carga de una bomba centrífuga se genera en el impulsor. El
resto de las partes no contribuyen a la creación de presión, sin embargo
contribuyen a pérdidas que son inevitables, hidráulicas, mecánicas y
fugas. Todas las pérdidas de carga entre los puntos de succión y
descarga, constituyen las pérdidas hidráulicas.
Eh = H / Hi = (Hi – pérdidas hidráulicas) / Hi
La capacidad disponible de una bomba de descarga, es menor que el
flujo que pasa a través del impulsor, debido a la recirculación interna que
44
ocurre por los claros entre el impulsor y la carcaza. La relación entre los
dos es la llamada eficiencia volumétrica.
Q / Qi = Q / (Q + QL) = ev;
QL recirculación interna,
ev eficiencia volumétrica.
Las pérdidas mecánicas incluyen la pérdida de energía en baleros o
chumaceras; sellos o estoperos y fricción del impulsor con el fluido. La
eficiencia mecánica es la relación que existe entre la potencia entregada
al impulsor y convertida a carga de la bomba, con respecto a la potencia
entregada en la flecha.
Em = (BHP – pérdidas mecánicas) / BHP
La eficiencia Total de la Bomba es: e = eh * ev * em
Las pérdidas en bombas pueden ocurrir en uno o varios de los
siguientes lugares:
• Fugas internas entre el impulsor y la carcaza, principalmente en
el ojo del impulsor.
• Fugas internas en pasos adyacentes de bombas multietapas.
• Fugas por los estoperos.
• Fugas a través de dispositivos internos para balancear empuje
axial.
• Fugas a través de bujes de alivio, cuando se usan para reducir
la presión en estoperos.
• Fugas a través de álabes del impulsor en impulsores abiertos.
• Fugas a través de chumaceras y estoperos, para efectos de
enfriamiento.
Pérdidas por fricción en el disco del impulsor. Es la pérdida mecánica
más importante de una bomba centrífuga. Se reduce cuando se utilizan
impulsores pulidos, y las paredes de la carcaza con acabado superficial
suave.
Pérdidas mecánicas por fricción en chumaceras y estoperos. Las
pérdidas en estoperos dependen del arreglo, tamaño y lubricación
empleada. Las pérdidas en chumaceras dependen del tipo de resistencia
al empuje axial usado, así como de la carga axial recibida. En bombas
pequeñas esta pérdidas pueden ser del orden de 2 a 3% de la potencia
manejada por la bomba; en las bombas multietapas de alta velocidad, no
exceden de 1%.
Cavitación: El término cavitación, se refiere a ciertas condiciones dentro
de la bomba, cuando debido a una pérdida de presión localizada, el
fluido manejado hierve en ese punto, formando burbujas o cavidades
llenas de vapor. Esas cavidades desaparecen cuando las burbujas
llegan a regiones de la bomba con mayor presión. La cavitación puede
ocurrir a lo largo de partes estacionarias de la carcaza o sobre el
impulsor. La reducción de la presión absoluta por debajo de la presión
45
del fluido puede ser generalizada en la bomba, o solamente local.
Cuando la reducción es generalizada, puede ser resultado de:
• Un incremento en la altura de succión.
• Un decremento en la presión atmosférica.
• Un decremento en la presión absoluta del sistema cuando se está
bombeando de un recipiente.
Obstrucciones en la succión que provocan incremento en las pérdidas.
• Un incremento en la temperatura del fluido en la succión.
Cuando la reducción es local:
• Un incremento en la velocidad.
• Al resultado de cambios de velocidad en el flujo, distorsiones en el
mismo, cuando hay un cambio repentino en la dirección el flujo.
La cavitación se nota por ruido y vibración, una disminución en la carga y
capacidad de la bomba, así como en la eficiencia y produce erosión, en
los álabes de los impulsores.
SELECCIÓN ADECUADA DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA
Para seleccionar una bomba centrifuga se determina el siguiente
procedimiento:
•
•
•
Cálculo de las condicionantes de operación
Selección teórica de la bomba
Trazo de la curva de operación.
AGITADORES
La agitación se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que
adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. Los objetivos
de la agitación pueden ser:
·
Mezcla de dos líquidos miscibles (ej: alcohol y agua)
·
Disolución de sólidos en líquido (ej.: azucar y agua)
·
Mejorar la transferencia de calor (en calentamiento o enfriamiento)
·
Dispersión de un gas en un líquido (oxígeno en caldo de fermentación)
·
Dispersión de partículas finas en un líquido
·
Dispersión de dos fases no miscibles (grasa en la leche)
Generalmente el equipo consiste en un recipiente cilíndrico (cerrado o abierto),
y un agitador mecánico, montado en un eje y accionado por un motor eléctrico.
46
Las proporciones del tanque varían ampliamente, dependiendo de la naturaleza
del problema de agitación. El fondo del tanque debe ser redondeado, con el fin
de eliminar los bordes rectos o regiones en las cuales no penetrarían las
corrientes del fluido. La altura del líquido, es aproximadamente igual al
diámetro del tanque. Sobre un eje suspendido desde la parte superior, va
montado un agitador. El eje está accionado por un motor, conectado a veces,
directamente al mismo, pero con mayor frecuencia, a través de una caja de
engranajes reductores.
El agitador crea un cierto tipo de flujo dentro del sistema, dando lugar a que el
líquido circule por todo el recipiente y vuelva de vez en cuando al agitador.
Así que es una operación en la cual se efectúa una combinación uniforme de
dos o más componentes, su objeto es alcanzar una distribución uniforme de los
componentes mediante el flujo. Este flujo es generado comúnmente por medios
mecánicos.
SE DIVIDEN:
 Los que generan corrientes paralelas al eje del impulsor que se
denominan impulsores de flujo axial
 Los que generan corrientes en dirección radial tangencial que se llaman
impulsores de flujo radial.
47
AGITADORES PARA TANQUES CERRADOS Y TANQUES ABIERTOS DE
MONTAJE FIJO
Estos tipos de agitadores son recomendados para su aplicación, y todo
depende de los requisitos de su proceso. Los hay de acoplados directo, estos
están diseñados para aplicaciones de baja viscosidad, o volumen pequeños, o
aplicaciones en que se requiere trituramientos del producto. Los agitadores de
acoplado de engranaje (caja reductora), son eficientemente usados en
productos con mas alta viscosidad o aplicaciones con un volumen mas
elevado. Estos agitadores varían desde 1/4 a 5 caballos de fuerza (HP), y son
disponibles con siete diferentes velocidades, y con una variedad de hélices.
Estos agitadores son disponibles ya sea con motor eléctrico, o motores de aire,
así como también pueden ser equipados con variador de velocidades.
TIPOS DE AGITADORES:
Los agitadores se dividen en dos clases: los que generan corrientes paralelas
al eje del agitador y los que dan origen a corrientes en dirección tangencial o
radial. Los primeros se llaman agitadores de flujo axial y los segundos
agitadores de flujo radial.
Los tres tipos principales de agitadores son, de hélice, de paletas, y de turbina.
Cada uno de estos tipos comprende muchas variaciones y subtipos que no
consideraremos aquí. En algunos casos también son útiles agitadores
especiales, pero con los tres tipos antes citados se resuelven, quizás, el 95%
de los problemas de agitación de líquidos.
AGITADORES DE HELICES
Un agitador de hélice, es un agitador de flujo axial, que opera con velocidad
elevada y se emplea para líquidos pocos viscosos. Los agitadores de hélice
más pequeños, giran a toda la velocidad del motor, unas 1.150 ó 1.750 rpm; los
mayores giran de 400 a 800 rpm. Las corrientes de flujo, que parten del
agitador, se mueven a través del líquido en una dirección determinada hasta
que son desviadas por el fondo o las paredes del tanque. La columna de
remolinos de líquido de elevada turbulencia, que parte del agitador, arrastra en
su movimiento al líquido estancado, generando un efecto considerablemente
mayor que el que se obtendría mediante una columna equivalente creada por
una boquilla estacionaria. Las palas de la hélice cortan o friccionan
vigorosamente el líquido. Debido a la persistencia de las corrientes de flujo, los
agitadores de hélice son eficaces para tanques de gran tamaño. Para tanques
extraordinariamente grandes, del orden de 1500m3 se han utilizado agitadores
múltiples, con entradas laterales al tanque.
El diámetro de los agitadores de hélice, raramente es mayor de 45 cm,
independientemente del tamaño del tanque. En tanques de gran altura, pueden
disponerse dos o más hélices sobre el mismo eje, moviendo el líquido
generalmente en la misma dirección. A veces dos agitadores operan en sentido
opuesto creando una zona de elevada turbulencia en el espacio comprendido
entre ellos.
48
AGITADORES DE PALETAS
Para problemas sencillos, un agitador eficaz está formado pr una paleta plana,
que gira sobre un eje vertical. Son corrientes los agitadores formados por dos
y 3 paletas. Las paletas giran a velocidades bajas o moderadas en el centro del
tanque, impulsando al líquido radial y tangencialmente, sin que exista
movimiento vertical respecto del agitador, a menos que las paletas estén
inclinadas. Las corrientes de líquido que se originan se dirigen hacia la pared
del tanque y después siguen hacia arriba o hacia abajo. Las paletas también
pueden adaptarse a la forma del fondo del tanque, de tal manera que en su
movimiento rascan la superficie o pasan sobre ella con una holgura muy
pequeña. Un agitador de este tipo se conoce como agitador de ancla. Estos
agitadores son útiles cuando se desea evitar el depósito de sólidos sobre una
superficie de transmisión de calor, como ocurre en un tanque enchaquetado,
pero no son buenos mezcladores. Generalmente trabajan conjuntamente con
un agitador de paletas de otro tipo, que se mueve con velocidad elevada y que
gira normalmente en sentido opuesto.
Los agitadores industriales de paletas giran a una velocidad comprendida entre
20 y 150 rpm. La longitud del rodete de un agitador de paletas es del orden de
50 al 80% del diámetro interior del tanque. La anchura de la paleta es de un
sexto a un décimo de su longitud. A velocidades muy bajas, un agitador de
paletas produce una agitación suave, en un tanque sin placas deflectoras o
cortacorrientes, las cuales son necesarias para velocidades elevadas. De lo
contrario el líquido se mueve como un remolino que gira alrededor del tanque,
con velocidad elevada pero con poco efecto de mezcla.
AGITADORES DE TURBINA
La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas,
que giran con velocidades elevadas sobre un eje que va montado centralmente
dentro del tanque. Las paletas pueden ser rectas o curvas, inclinadas o
verticales. El rodete puede ser abierto, semicerrado o cerrado. El diámetro del
rodete es menor que en el caso de agitadores de paletas, siendo del orden del
30 al 50% del diámetro del tanque.
Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de
viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen corrientes intensas, que se
extienden por todo el tanque y destruyen las masas de líquido estancado. En
las proximidades del rodete existe una zona de corrientes rápidas, de alta
turbulencia e intensos esfuerzos cortantes. Las corrientes principales son
radiales y tangenciales. Las componentes tangenciales dan lugar a vórtices y
torbellinos, que se deben evitar por medio de placas deflectoras o un anillo
difusor, con el fin de que el rodete sea más eficaz.
El agitador de turbina semiabierto, conocido como agitador de disco con aletas,
se emplea para dispersar o disolver un gas en un líquido. El gas entra por la
parte inferior del eje del rodete; las aletas lanzan las burbujas grandes y las
rompen en muchas pequeñas, con lo cual se aumenta grandemente el área
interfacial entre el gas y el líquido.
49
TIPOS DE FLUJOS EN TANQUES AGITADOS
El tipo de flujo que se produce en un tanque agitado, depende del tipo de
rodete, de las características del fluido y del tamaño y proporciones del tanque,
placas deflectoras y agitador. La velocidad del fluido en un punto del tanque
tiene tres componentes y el tipo de flujo global en el mismo, depende de las
variaciones de estas tres componentes de la velocidad, de un punto a otro. La
primera componente de velocidad es radial y actúa en dirección perpendicular
al eje del rodete. La segunda es longitudinal y actúa en dirección paralela al
eje. La tercera es tangencial o rotacional, y actúa en dirección tangencial a la
trayectoria circular descrita por el rodete.
Para el caso corriente de un eje vertical, las componentes radial y tangencial
están en un plano horizontal y la componente longitudinal es vertical. Las
componentes radial y longitudinal son útiles porque dan lugar al flujo necesario
para que se produzca la mezcla. Cuando el eje es vertical y está dispuesto en
el centro del tanque, la componente tangencial de velocidad es generalmente
perjudicial para la mezcla. El flujo tangencial sigue una trayectoria circular
alrededor del eje y crea un vórtice en la superficie del líquido que debido a la
circulación en flujo laminar, da lugar a una estratificación permanente en
diferentes niveles, de substancias sin mezclar, sin que exista flujo longitudinal
de un nivel a otro. Si están presentes partículas sólidas, las corrientes
circulatorias tienden a lanzar las partículas contra la pared del tanque, debido a
la fuerza centrífuga, desde donde caen acumulándose en la parte central del
fondo del tanque. Por consiguiente en vez de mezcla, se produce la acción
contraria.
En un tanque sin placas deflectoras, el flujo circulatorio es inducido por todos
los tipos de rodete, tanto si el flujo es axial como radial. Si los remolinos son
intensos, el tipo de flujo dentro del tanque es esencialmente el mismo,
independientemente del diseño del rodete. Para velocidades de giro del rodete
elevadas, la profundidad del vórtice puede ser tan grande que llegue al rodete
mismo, dando lugar a que en el líquido se introduzca el gas que está encima de
él, lo cual normalmente debe evitarse.
FORMAS DE EVITAR REMOLINOS:
·
Colocando el agitador fuera del eje central del tanque. En tanques
pequeños se debe colocar el rodete separado del centro del tanque, de tal
manera que el eje del agitador no coincida con el eje central del tanque. En
tanques mayores el agitador puede montarse en forma lateral, con el eje en un
plano horizontal, pero no en la dirección del radio.
·
Instalando placas deflectoras. Estas son placas verticales
perpendiculares a la pared del tanque. En tanques pequeños son suficientes 4
placas deflectoras, para evitar remolinos y formación de vórtice. El ancho de las
placas no debe ser mayor que un doceavo del diámetro del tanque. Cuando se
usan agitadores de hélice, el ancho de la placa puede ser de un octavo del
diámetro del tanque. Si el eje del agitador está desplazado del centro o
inclinado, no se necesitan placas deflectoras.
Cuando no se presentan remolinos, el tipo de flujo específico depende del tipo
de rodete:
50
·
Los agitadores de hélice impulsan el líquido hacia el fondo del tanque,
desde donde la corriente se extiende subiendo por las paredes y retornando
hacia la hélice. Se emplean cuando se desean intensas corrientes verticales,
por ejemplo para mantener en suspensión partículas sólidas pesadas. No se
emplean cuand la viscosidad del líquido es superior a los 5.000 centipoises.
·
Los agitadores de paletas producen un flujo radial intenso en el plano
próximo a las palas, pero prácticamente no dan lugar a corrientes verticales.
Estos agitadores no son eficaces para mantener sólidos en suspensión.
·
Los agitadores de turbina impulsan al líquido radialmente contra las
paredes laterales del tanque, desde donde la corriente se divide, una parte
fluye hacia arriba y otra parte hacia el fondo, retornando ambas al rodete. Por
lo que producen dos corrientes de circulación separadas. Dan excelentes
resultados en la mezcla de líquidos que tienen aproximadamente la misma
densidad relativa.
CONSUMO DE POTENCIA
Las variables que pueden ser controladas y que influyen en la Potencia
consumida por el agitador son:
·
Dimensiones principales del tanque y del rodete: Diámetro del tanque
(Dt), Diámetro del rodete (Da), altura del líquido (H), ancho de la placa
deflectora (J), distancia del fondo del tanque hasta el rodete (E), y dimensiones
de las paletas.
·
·
Viscosidad (m) y densidad (r) del fluido.
Velocidad de giro del agitador (N).
El cálculo de la potencia consumida se hace a través de números
adimensionales, relacionando por medio de gráficos el número de Reynolds y
el Número de Potencia. Estas gráficas dependerán de las características
geométricas del agitador y de si están presentes o no, las placas deflectoras.
Número de Reynolds = esfuerzo de inercia / esfuerzo cortante
Número de Potencia = esfuerzo de frotamiento / esfuerzo de inercia
Número
de
Froude
=
esfuerzo
de
inercia
/
esfuerzo
gravitacional
51
Para bajos números de Reynolds (Re <10) el flujo es laminar, la densidad deja
de ser un factor importante y la potencia puede encontrarse como:
En tanques con placas deflectoras y para números de Reynolds superiores a
10.000, la función de potencia es independiente del número de Reynolds y la
viscosidad deja de ser un factor. Las variaciones del Número de Froude
tampoco influyen. En este intervalo el flujo es completamente turbulento y la
Potencia puede ser calculada como:
COMPRESORES
Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión
del aire al valor de trabajo deseado.
Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación
central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformación de la
energía para cada uno de los consumidores.
El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a
través de tuberías. Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la
construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente. En el momento
de la planificación es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin
de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro.
Por ello, es necesario sobredimensionar la instalación, al objeto de que el
compresor no resulte más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación
ulterior en el equipo generador supone gastos muy considerables. Es muy
importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido
tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta la aplicación
correcta de los diversos tipos de compresores.
52
Tipos de compresores
Según las exigencias referentes a la presión de trabajo y al caudal de
suministro, se pueden emplear diversos tipos de construcción. Se distinguen
dos tipos básicos de compresores:
El primero trabaja según el principio de desplazamiento. La compresión se
obtiene por la admisión del aire en un recinto hermético, donde se reduce luego
el volumen. Se utiliza en el compresor de émbolo (oscilante o rotativo).
El otro trabaja según el principio de la dinámica de los fluidos. El aire es
aspirado por un lado y comprimido como consecuencia de la aceleración de la
masa (turbina).
Compresores de émbolo
Compresor de émbolo oscilante . Este es el tipo de compresor más
difundido actualmente. Es apropiado para
comprimir a baja, media o alta presión. Su campo de trabajo se extiende
desde unos 1 .100 kPa (1 bar) a varios
miles de kPa (bar).
Compresor de émbolo oscilante
Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias
etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión
previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser
comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara
53
de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño.
Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que
tiene que ser evacuada por el sistema refrigeración.
Los compresores de émbolo oscilante pueden refrigerarse por aire o por
agua, y según las prescripciones de trabajo las etapas se precisan en la
tabla anterior.
Compresor de membrana
Este tipo forma parte del grupo de compresores de émbolo. Una
membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en
contacto con las piezas móviles. Por tanto, en todo caso, el aire
comprimido estará exento de aceite. Estos, compresores se emplean
con preferencia en las industrias alimenticias farmacéuticas y químicas.
Compresor de émbolo rotativo
Consiste en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio. El
aire es comprimido por la continua reducción del volumen en un recinto
hermético.
54
Rotativo multicelular
Un rotor excéntrico gira en el interior de un cárter cilíndrico provisto de
ranuras de entrada y de salida. Las ventajas de este compresor residen
en sus dimensiones reducidas, su funcionamiento silencioso y su caudal
prácticamente uniforme y sin sacudidas. Para el caudal véase la figura
14 (diagrama). El rotor está provisto de un cierto número de aletas que
se deslizan en el interior de las ranuras y forman las células con la pared
del cárter.
Cuando el rotor gira, las aletas son oprimidas por la fuerza centrífuga
contra la pared del cárter, y debido a la excentricidad el volumen de las
células varía constantemente.
Compresor de tornillo helicoidal, de dos ejes: Dos tornillos helicoidales
que engranan con sus perfiles cóncavo y convexo impulsan hacia el otro
lado el aire aspirado axialmente. En estos compresores, el aire es
llevado de un lado a otro sin que el volumen sea modificado. En el lado
de impulsión, la estanqueidad se asegura mediante los bordes de los
émbolos rotativos.
Compresor Roots
55
Turbocompresores
Trabajan según el principio de la dinámica de los fluidos, y son muy
apropiados para grandes caudales. Se fabrican de tipo axial y radial. El
aire se pone en circulación por medio de una o varias ruedas de turbina.
Esta energía cinética se convierte en una energía elástica de
compresión. Para el caudal, véase la figura 14 (diagrama).
La rotación de los alabes acelera el aire en sentido axial de flujo
Aceleración progresiva de cámara a cámara en sentido radial hacia
afuera; el aire en circulación regresa de nuevo al eje. Desde aquí se
vuelve a acelerar hacia afuera.
Elección del compresor Caudal
Por caudal entiendo la cantidad de aire que suministra el compresor.
Existen dos conceptos. El caudal teórico y El caudal efectivo o real En el
compresor de émbolo oscilante, el caudal teórico es igual al producto de
cilindrada * velocidad de rotación. El caudal efectivo depende de la
construcción del compresor y de la presión. En este caso, el rendimiento
volumétrico es muy importante
56
Es interesante conocer el caudal efectivo del compresor. Sólo éste es el
que acciona y regula los equipos neumáticos.
Los valores indicados según las normas ?representan valores efectivos
(p. ej.: DIN 1945). El caudal se expresa en m3/min ó m3/h
.
No obstante, son numerosos los fabricantes que solamente indican el
caudal teórico
Presión
También se distinguen dos conceptos:
La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador
y existe en las tuberías que alimentan a los consumidores. La presión
de trabajo es la necesaria en el puesto de trabajo considerado. En la
mayoría de los casos, es de 600 kPa (6 bar). Por eso, los datos de
servicio de los elementos se refieren a esta presión.
Importante: Para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es
necesario que la presión tenga un calor constante. De ésta dependen : la velocidad - las fuerzas - el desarrollo secuencial de las fases de los
elementos de trabajo.
Accionamiento
Los compresores se accionan, según las exigencias, por medio de un
motor eléctrico o de explosión interna. En la industria, en la mayoría de
los casos los compresores se arrastran por medio de un motor eléctrico.
Si se trata de un compresor móvil, éste en la mayoría de los casos se
acciona por medio de un motor de combustión (gasolina, Diesel ).
57
Regulación
Al objeto de adaptar el caudal suministrado por el compresor al consumo
que fluctúa, se debe proceder a ciertas regulaciones del compresor.
Existen diferentes clases de regulaciones. El caudal varía entro dos
valores límites ajustados (presiones máxima y mínima).

Regulación de marcha en vacío
• Regulación por escape a la atmósfera
• Regulación por aislamiento de la aspiración
• Regulación por apertura de la aspiración

Regulación de carga parcial
• Regulación de velocidad de rotación
• Regulación por estrangulación de la aspiración

Regulación por intermitencias
Refrigeración
Por efecto de la compresión del aire se desarrolla calor que debe evacuarse.
De acuerdo con la cantidad de calor que se desarrolle, se adoptará la
refrigeración más apropiada. En compresores pequeños, las aletas de
refrigeración se encargan de irradiar el calor. Los compresores mayores van
dotados de un ventilador adicional, que evacua el calor.
Cuando se trata de una estación de compresión de más de 30 kW de
potencia, no basta la refrigeración por aire. Entonces los compresores
van equipados de un sistema de refrigeración por circulación de agua en
circuito cerrado o bierto. A menudo se temen los gastos de una
instalación mayor con torre de refrigeración. No obstante, una buena
refrigeración prolonga la duración del compresor y proporciona aire más
frío y en mejores condiciones. En ciertas circunstancias, incluso permite
ahorrar un enfriamiento posterior del aire u operar con menor potencia.
Lugar de emplazamiento
La estación de compresión debe situarse en un local cerrado e
insonorizado. El recinto debe estar bien ventilado y el aire aspirado debe
ser lo más fresco, limpio de polvo y seco posible.
58
Acumulador de aire comprimido
El acumulador o depósito sirve para estabilizar el suministro de aire
comprimido. Compensa las oscilaciones de presión en la red de tuberías
a medida que se consume aire comprimido. Gracias a la gran superficie
del acumulador, el aire se refrigera adicionalmente. Por este motivo, en
el acumulador se desprende directamente una parte de la humedad del
aire en forma de agua.
El tamaño de un acumulador de aire comprimido depende:
•
•
•
•
•
Del caudal de suministro del compresor
Del consumo de aire
De la red de tuberías (volumen suplementario)
Del tipo de regulación
De la diferencia de presión admisible en el interior de la red.
Determinación del
Intermitentemente.
acumulador
cuando
el
compresor
funciona
59
El tamaño de un acumulador puede determinarse según el siguiente
diagrama:
VENTILADORES
Un ventilador es una turbo máquina que se caracteriza porque el fluido
impulsado es un gas (fluido compresible) al que transfiere una potencia con
un determinado rendimiento.
A pesar de que no existe convenio alguno universalmente adoptado; los
ventiladores pueden subdividirse en cuatro grupos:
1. ventiladores de baja presión: hasta una presión del orden 200 Mm. c
agua (ventiladores propiamente dichos).
2. ventiladores de media presión: entre 200 y 800 Mm. c agua
(soplantes)
3. ventiladores de alta presión: entre 800 y 2500 Mm. c agua (turbo
axiales)
4. ventiladores de muy alta presión , mayor a 2500 Mm. c agua
(turbocompresores)
60
Ventiladores axiales
Existen tres tipos básicos de ventiladores axiales:
•
Helicoidales
•
Tubulares
•
Tubulares con Directrices.
Los ventiladores helicoidales se emplean para mover aire con poca
pérdida de carga, y su aplicación más común es la ventilación general. Se
construyen con dos tipos de alabes: alabes de disco para ventiladores sin
ningún conducto; y alabes estrechas para ventiladores que deban vencer
resistencias bajas (menos de 25 Mm. c d a). Sus prestaciones están muy
influenciadas por la resistencia al flujo del aire y un pequeño incremento
de la presión provoca una reducción importante del caudal.
Los ventiladores tubulares disponen de una hélice de álabes estrechos de
sección constante o con perfil aerodinámico (ala portante) montada en una
carcasa cilíndrica. generalmente no disponen de ningún mecanismo para
ende rezar el flujo de aire. Los ventiladores tubulares pueden mover aire
venciendo resistencias moderadas (menos de 50 Mm. cda).
Los ventiladores turboaxiales con directrices tienen una hélice de álabes
con perfil aerodinámico (ala portante) montado en una carcasa cilíndrica
que normalmente dispone de aletas enderezadoras del flujo de aire en el
lado de impulsión de la hélice. En comparación con los otros tipos de
ventiladores axiales, éstos tienen un rendimiento superior y pueden
desarrollar presiones superiores (hasta 600 Mm. cda).
Las directrices (compuertas) tienen la misión de hacer desaparecer la
rotación existente o adquirida por el fluido en la instalación, a la entrada
del rodete o tras su paso por el mismo. Estas directrices pueden colocarse
a la entrada o a la salida del rodete, incluso las hay fijas ó removibles.
CIRCULACIÓN DEL AIRE
El aire circula por un conducto gracias a la diferencia de presión que existe
entre sus extremos.
Para diferencias de nivel de hasta 100 m, velocidades inferiores a 50 m/s
(caso que puede considerarse al aire como incompresible) y régimen
estacionario, las presiones obedecen al siguiente teorema:
VENTILADORES AXIALES, DESCRIPCIÓN Y CURVAS DE OPERACIÓN.
Los ventiladores axiales están compuestos básicamente de un rotor de
dos a 13 paletas, solidario a un eje propulsor movido por un motor que
impulsa aire en una trayectoria recta, con salida de flujo helicoidal. Existen 3
tipos básicos de estos ventiladores que son:
61
•
TIPO PROPULSOR O DE PARED: Que es el típico ventilador para
bodegas industriales, de baja presión estática (0,5 a 1,5 pulg. de
columna de agua ) con caudales variables según su diámetro.
•
TIPO TURBO – AXIAL: Es aquel que tiene su rotor y motor dentro de
una carcaza cilíndrica, lo que incrementa su capacidad y presión
estática hasta valores de 6 pulg. columna de agua, apropiado para
ser conectados a ductos , campanas, torres de enfriamiento, y para
operar en serie.
•
TIPO VANE – AXIAL: Es similar al anterior, pero además posee un
juego de paletas guías fijas a la carcaza (vanes, venas) que le
permite obtener una más alta presión estática de trabajo ( de 6 a 13 ó
más pulgadas de agua en casos de diseños especiales )
( Ver lámina 10 )
•
OBSERVACION:
Por sus altas presiones, los tipos vaneaxial, son los más utilizados en
sistemas de ventilación auxiliar seguidos de los turboaxiales. El tipo
propulsor sólo se utiliza en la ventilación de locales y dependencias
subterráneas.
La curva característica de los ventiladores axiales se muestran en la lámina
# 11, donde se incluye los valores de presión estática, presión total,
potencia requerida, eficiencia mecánica y presión de velocidad de la
descarga.
Más abajo se han incluido curvas típicas de los tres tipos de ventiladores
axiales, a modo de comparación.
62
VENTILADORES CONTRA –
CURVAS CARACTERÍSTICAS.
ROTATORIOS,
DESCRIPCIÓN
Y
Los ventiladores axiales (tipo turbo – axial ) se proporcionan para
operarlos en serie por algunos fabricantes como contra – rotatorios, es
decir, con sentido de giro invertidos de dos o más etapas consecutivas.
De acuerdo con sus curvas de operación, este método proporciona
valores de presión más altas que las conseguidas por ventiladores
similares puestos en serie con el mismo sentido de rotación, con claras
ventajas para el diseño de estaciones de ventiladores, apropiados para
la atención de desarrollos de gran longitud, como puede apreciarse en
figura las curvas de operación de un modelo de ventilador contra –
rotatorio de dos etapas.
El número de etapas contra – rotatorias pueden ser 2, 3, 4, 5 o más y la
presión estática así desarrollada será aproximadamente 3, 4, 6, 7 o más
veces que la correspondiente a una etapa simple del mismo diámetro y
velocidad.
63
Este sistema de instalación permite hacer la instalación completa para
el total de la ductería a emplearse en el desarrollo, y luego comenzar a
operar sólo con una etapa, dejando las demás rotando en vacío hasta
que la longitud de la ductería precise el funcionamiento de la etapa
siguiente y así sucesivamente hasta completar el funcionamiento de
todas las etapas contra – rotatorias. El único límite a considerar con
cuidadoso análisis es el valor práctico máximo que es conveniente
alcanzar con estos ventiladores cuando se trabaja con ductería plástica,
que es menos resistente a la presión que el metálico y de mayor
generación de fugas de aire, directamente proporcionales a la presión
estática de trabajo de la ductería.
Las ventajas de este tipo de instalación con ventiladores, cuyas
unidades son idénticas y con fuerza motriz independiente son sus
facilidades de montaje en serie, sin requerir ductería intermedia como
acontece con los tipos vane – axial, su eficiencia en la generación de
alta presión estática, su ajuste de ángulo de paletas que permite variar
su capacidad y su economía en energía durante la puesta en marcha del
sistema.
64
65
SOPLADORES
Los sopladores se utilizan principalmente para circular el movimiento del aire y
del gas en aplicaciones de la ventilación.
Su función principal es substituir el aire impuro o contaminado por aire fresco
remolinando él alrededor
Se clasifican generalmente en:
•
•
•
•
•
Sopladores de Lóbulos.
Sopladores de Paletas.
Sopladores Centrífugos.
Sopladores de Turbina Periférica.
Sopladores Axiales
Los sopladores centrífugos generan una fuerza centrífuga generada por la
rotación de un rodillo cilíndrico cuyas hojas han sido alineadas.
Los Sopladores Centrífugos tienen una desembocadura pequeña, la cual
concentra el aire en una única dirección, por eso se utilizan para enfriamientos
locales.
En el soplador regenerativo con impulsor rotatorio usa la fuerza centrífuga y
mueve el aire desde la base del alabe hasta la punta de éste.
Al llegar al extremo del alabe, el aire fluye alrededor del contorno de la carcaza
y baja a la raíz del alabe que la sucede donde el patrón de flujo es repetido.
Esta acción provee un efecto de múltiple etapa que aumenta la capacidad de
presión diferencial.
UNIDAD III
“Tanques, Recipientes y Chimeneas”
OBJETIVO
Comprende el diseño de proceso de uso y fabricación de tanques,
recipientes y chimeneas
[Diseño d elementos de Equipo] | Ingeniería Ambiental
67
TANQUES ATMOSFÉRICOS
Tanques de Almacenaje
Por definición de National Fire Protection Association (NFPA) :
“Cualquier recipiente que tiene una capacidad de liquido que excede los 60
gal., aplicado a instalaciones fijas, y que no son usados para procesos.”
Existen dos tipos importantes:
•
•
Tanques Almacenaje enterrados (UST)
Tanques Almacenaje sobre Tierra (AST)
Se denominan Tres Categorías Generales de Tanque de Almacenaje
•
•
•
Tanques Atmosféricos
Tanques Baja-Presión
Tanques Alta- Presión
Tanques Atmosféricos
•
•
•
•
•
Presión hasta 2.5 psig
Tipo de de Tanque de Almacenaje más común
Usualmente protegido contra exceso de presión interna o vacío por el
uso de PVRV
Normalmente construidas de Acero, aunque algunas son de PVC o FRP
Construidas, instaladas y operadas dentro del alcance de ciertas
Normas (Standards)
Normas Tanques Atmosféricos
UL 142 – Norma para Tanques Almacenaje de de acero para Líquidos
Inflamables y Combustibles
UL 58 Norma para Tanques de Almacenaje de acero para Líquidos
Inflamables y Combustibles
UL 80 Norma para tanques interiores de acero para Oil Burner Fuel
UL 2085 Norma para Tanques de Almacenaje Aislados sobre tierra para
Líquidos Inflamables y Combustibles
API 650 – Tanques de Acero soldados para almacenaje de Crudo
API 12B Tanques Abulonados para almacenaje de Líquidos de Producción
68
API 12D Tanques soldados en campo para Almacenaje de de Líquidos de
Producción
API 12F Tanques soldados en taller para almacenaje de Líquidos de
Producción
ASTM D4021– – Especificación Standard para Tanques de
Poliéster
reforzados con fibra de vidrio Enterrados para Almacenaje de Petróleo
Otro método de clasificación
•
Tanques de Techo Fijo
o Techo plano
o Techo cónico (CRT)
o Techo domo
o Techo paraguas
•
Tanques de Techo Flotante
o Techo flotante externo
o Techo flotante interno
o Techo flotante cerrado
•
Tanques de Domo Geodésico
•
Tanques Cilíndricos Horizontales
•
Esferoides y Semiesferoides
69
Qué Determina el Tipo de de Tanque Usado
•
•
•
•
•
•
•
Caraterísticas del Líquido Almacenado
Presión de Vapor / Punto de Ebullición
Punto de Flasheo
Presión de Operación
Temperatura
Gravedad Específica
Requerimientos de Calentamiento/Enfriamiento
Espesores de Placa de de Techo vs. Máxima Presión Interna
Materiales de Construcción
•
•
•
•
Depende principalmente de las propiedades de corrosión de los
vapores
El cuerpo será construido de Aluminio, Acero Al carbón, Hierro Dúctil,
Acero inoxidable FRP
Material de internos usualmente de Aluminio, Acero inoxidable con
Diafragmas de Teflón
Pesas de carga son usualmente plomo, acero al Carbón, Acero
inoxidable
70
RECIPIENTES A PRESIÓN.
Con la denominación de recipientes a presión se encuadra a los aparatos
constituidos por una envolvente, normalmente metálica, capaz de contener un
fluido, líquido o gaseoso, cuyas condiciones de temperatura y presión son
distintas a las del medio ambiente.
Existen numerosos tipos de recipientes que se utilizan en las plantas
industriales o de procesos. Algunos de estos tienen la finalidad de almacenar
sustancias que se dirigen o convergen de algún proceso, este tipo de
recipientes son llamados en general tanques. Los diferentes tipos de
recipientes que existen, se clasifican de la siguiente manera:
POR SU USO:
Los podemos dividir en recipientes de almacenamiento y en recipientes
de procesos.
Los primeros nos sirven únicamente para almacenar fluidos a presión y
de acuerdo con sus servicios son conocidos como tanques de
almacenamiento, tanques de día, tanques acumuladores, etc.
POR SU FORMA:
Los recipientes a presión pueden ser cilíndricos o esféricos. Los
primeros son horizontales o verticales y pueden tener en algunos casos,
chaquetas para incrementar o decrecer la temperatura de los fluidos
según sea el caso.
Los esféricos se utilizan generalmente como tanques de
almacenamiento, y se recomiendan para almacenar grandes volúmenes
esféricos a altas presiones. Puesto que la forma esférica es la forma
natural que toman los cuerpos al ser sometidos a presión interna esta
sería la forma más económica para almacenar fluidos a presión sin
embargo en la fabricación de estos es mucho más cara a comparación
de los recipientes cilíndricos.
Los tipos más comunes de recipientes pueden ser clasificados de
acuerdo a su geometría como:
1.- Recipientes Abiertos.
1.1 Tanques Abiertos.
2.- Recipientes Cerrados.
2.1 Tanques cilíndricos verticales, fondo plano.
2.2 Recipientes cilíndricos horizontales y verticales con cabezas
formadas.
2.3 Recipientes esféricos.
71
Se Indican algunas de las generalidades en el uso de los tipos más
comunes de recipientes:
•
RECIPIENTES ABIERTOS: Los recipientes abiertos son comúnmente
utilizados como tanque igualador o de oscilación como tinas para dosificar
operaciones donde los materiales pueden ser decantados como:
desecadores, reactores químicos, depósitos, etc.
Obviamente este tipo de recipiente es más que el recipiente cerrado de una
misma capacidad y construcción. La decisión de que un recipiente abierto o
cerrado es usado dependerá del fluido a ser manejado y de la operación.
Estos recipientes son fabricados de acero, cartón, concreto…. Sin embargo
en los procesos industriales son construidos de acero por su bajo costo
inicial y fácil fabricación.
•
RECIPIENTES CERRADOS: Fluidos combustibles o tóxicos o gases finos
deben ser almacenados en recipientes cerrados. Sustancias químicas
peligrosas, tales como ácidos o sosa cáustica son menos peligrosas si son
almacenadas en recipientes cerrados.
•
TANQUES CILINDRICOS DE FONDO PLANO: El diseño en el tanque
cilíndrico vertical operando a la presión atmosférica, es el tanque cilíndrico
con un techo cónico y un fondo plano descansando directamente en una
cimentación compuesta de arena, grava o piedra triturada. En los casos
donde se desea usar una alimentación de gravedad, el tanque es levantado
arriba del terreno y el fondo plano debe ser incorporado por columnas y
vigas de acero.
Los recipientes a presión se subdividen en dos clases, dependiendo de la
posición en que se encuentran instalados:
- Recipientes Verticales.
- Recipientes Horizontales.
En toda planta industrial existen recipientes a presión que desarrollan diversas
funciones, tales como:
- Reactores: en ellos se producen transformaciones
condiciones de temperatura y presión normalmente severas.
químicas,
en
- Torres: en ellas se producen transformaciones físicas, tales como
separación de componentes ligeros y pesados, absorción, arrastre con vapor.
- Recipientes: en ellos pueden producirse transformaciones físicas
(separación de líquido-vapor, separación de dos líquidos no miscibles con
diferentes densidades) o simplemente realizan la misión de acumulación de
fluido.
72
La forma más común de los recipientes a presión es la cilíndrica, por
su más fácil construcción y requerir menores espesores que otras formas
geométricas para resistir una misma presión, salvo la forma esférica, cuyo
uso se reduce a grandes esferas de almacenamiento, dada su mayor
complejidad en la construcción.
Parte descriptiva.
Todo recipiente a presión está formado por la envolvente, dispositivos de
sujeción o apoyo del propio equipo, conexiones por las que entran y salen
los fluidos, elementos en el interior y accesorios en el exterior del
recipiente. A continuación se procede a describir brevemente cada una de
estas partes, mostrando la diversidad de posibilidades en cada una de ellas:
- Envolvente:
Es una envoltura metálica que forma propiamente el recipiente. Como ya
se ha indicado, los aparatos cilíndricos son los más utilizados, y en
ellos la envolvente está formada, básicamente, por dos elementos:
la parte cilíndrica o cubierta (carcasa) y los fondos o cabezales. Si
la cubierta está constituida por varios cilindros de diversos diámetros, la
unión entre ellos se realiza generalmente por figuras troncocónicas que
realizan la transición.
1. Cubierta.
La cubierta está formada por una serie de virolas soldadas unas
con otras, entendiéndose por virola un trozo de tubería o una chapa que
convenientemente curvada y soldada forma un cilindro sin soldaduras
circunferenciales.
La unión de varias virolas forma la cubierta, de forma que la suma de las
alturas de los cilindros obtenidos por las virolas sea la requerida por la
cubierta.
Las soldaduras de una virola son axiales o longitudinales, ya que
están realizadas siguiendo la generatriz del cilindro, al contrario, las
soldaduras que unen virolas, o los cabezales con la cubierta, son
circunferenciales o transversales, por estar realizadas siguiendo una
circunferencia situada, obviamente, en un plano perpendicular al eje
del cilindro.
Cuando el diámetro de cubierta es menor de 24 pulgadas (60.9
cm) se utiliza, normalmente, tubería, y en diámetros superiores se
realiza a partir de chapa.
En nuestro caso, la cubierta que llevara la torre de destilación será
de chapa, ya que su diámetro es de 36 pulgadas.
Cuando los espesores requeridos para la cubierta son muy grandes
se procede a realizarla con material forjado, o con varias cubiertas
73
de menor
espesor
embebidas
en caliente. Actualmente
las
maquinarias de curvar pueden realizar el curvado de chapas de hasta 15
cm de espesor, aunque este valor es función del diámetro del cilindro.
2. Cabezales.
Los cabezales o fondos son las tapas que cierran la carcasa.
Normalmente son bombeados, existiendo una gran diversidad de tipos
entre ellos, y como excepción existen los fondos cónicos y planos, de
muy reducida utilización.
Todos estos fondos se realizan a partir de chapa, a la que mediante
estampación se le da la forma deseada, salvo el caso de fondos cónicos
y planos.
En todos los fondos se realiza la transición de una figura
bombeada a una cilíndrica, que es la cubierta; esta línea de
transición, denominada justamente línea de tangencia, está sometida
a grandes tensiones axiales que se traducen en fuertes tensiones
locales, y éste es el punto más débil del recipiente; por esta
razón no es aconsejable realizar la soldadura de unión fondocubierta a lo largo de esta línea. Para evitar esta coincidencia, los
fondos bombeados se construyen con una parte cilíndrica, denominada
pestaña o faldilla, cuya altura mínima h varía según la Norma o
Código de cálculo empleado, pero en general deberá ser no menor que
el mayor de los siguientes:
con un valor máximo de h = 100 mm, y siendo:
De = diámetro exterior cubierta, mm.
ef = espesor cabezal, mm.
El valor de h, será calculado en el apartado de cálculos
justificativos, en cuyo apartado tendremos información de los datos
necesario para su calculo.
Los tipos más usuales son:
-
Semiesféricos.
Elípticos.
Policéntricos.
Cónicos.
Planos.
De los diferentes cabezales mas usados, escogemos el semiesférico
porque entre los cinco tipo es el que mejor se ajusta. Y sus
características son las siguientes;
74
Son los formados por media esfera soldada a la cubierta. Su radio medio
es igual al radio medio de la cubierta. El espesor requerido para
resistir la presión es inferior al requerido en la cubierta cilíndrica, y
como dato aproximado se puede adoptar que el espesor del cabezal
es la mitad del espesor de la cubierta. La construcción de este tipo de
fondos es más costosa que el resto de los fondos bombeados, por
lo que se restringe a casos específicos de grandes espesores o
materiales especiales, aunque resultan los más económicos para altas
presiones, pudiendo construirse de hasta 12 ft (3.6m).
Es posible construir cabezales de tipo semiesférico mayores de 12
ft mediante soldadura de elementos de cabezales elípticos, pero esta
opción incrementa el coste.
Conexiones.
Todo recipiente debe tener como mínimo una conexión de entrada del
fluido y otra de salida, aunque siempre tienen muchas más.
Seguidamente se indican los servicios más comunes que precisan
conexiones en el recipiente:
- De entrada y salida de fluidos.
- Para instrumentos, como manómetros, termómetros, indicadores o
reguladores de nivel.
- Para válvula de seguridad
- Para servicios tales como drenaje, venteo, de limpieza, paso de
hombre, paso de mano, etc.
Salvo en casos excepcionales, las conexiones se realizan embridadas,
ya que permiten su montaje y desmontaje sin tener que realizar ningún
corte ni soldadura. Solamente en casos de fluidos extremadamente
tóxicos, o altamente explosivos en contacto con el aire, se realizan las
conexiones soldadas.
Las diversas partes que conforman la conexión embridada son las
siguientes:
-
Tubuladura.
Placas de refuerzo.
Brida.
Pernos y turcas.
75
En todos los recipientes a presión debe haber dispositivos de
purga de presión, y ajustarse para saltar a una presión que no
sobrepase la presión máxima permisible de carga.
Cuando salten (normalmente debido a condiciones anormales), deberán
evitar que la presión se eleve a más del 10% por encima de la presión
máxima permisible de trabajo.
Los dispositivos de alivio de la presión pueden ser válvulas o
discos de ruptura. Para evitar la abertura frecuente, se mantiene
comúnmente un margen entre la presión operacional y el ajuste del
dispositivo de purga. Los dispositivos de purga de presión se
instalan directamente sobre el recipiente o se conectan a él mediante
una tubería corta con un diámetro que sea por lo menos igual al de
la entrada del dispositivo. La tubería de descarga de un dispositivo
de purga debe ser suficientemente grande como para evitar el que la
retropresión afecte al flujo.
Los discos de ruptura se usan en servicios en los que no se puede
tolerar ninguna fuga, o donde el material de que se trate pueda
ocasionar el atascamiento o el mal funcionamiento de una válvula de
seguridad o purga.
La inspección, tanto de los materiales como de la fabricación,
constituye un factor esencial para obtener un recipiente a presión
seguro.
Para la mayoría de los recipientes a presión se requiere la comprobación
hidrostática de la presión a 1.5 veces la presión máxima permisible de
trabajo, corregida para tener en cuenta el efecto de la temperatura
sobre el esfuerzo admisible. La presión completa hidrostática de prueba
se mantiene solo hasta un valor más bajo (no menos de las dos
terceras partes de la presión de prueba) y se verifican todas las
juntas y las conexiones para comprobar que no tienen fugas. Los
recipientes no diseñados específicamente para el servicio a bajas
temperaturas deben estar a 60ºF y preferentemente a temperaturas
más altas, cuando se sometan a las pruebas.
76
CHIMENEAS
Se definen como los conductos construidos para dar salida a la atmósfera libre
a gases resultantes de una combustión –o de una reacción química (“gases de
cola”) – para su dispersión en el aire ambiente.
En el diseño de una chimenea intervienen, fundamentalmente, los siguientes
elementos:
•
1.-Sección interior, o de paso de gases
•
2.-Altura
•
o
2.1.-Para dispersión de gases en la atmósfera libre
o
2.2.-Para la obtención de una depresión mínima determinada en
su base
3.-Tipo de material estructural (o externo)
o
o
•
3.1.-Resistencia a las acciones externas

3.1.1.-Viento

3.1.2.-Sismos
3.2.-Cimentación
4.-Tipo de material de revestimiento interior
4.1.-Resistencia a la temperatura y ataque físico-químico de los
gases
Para determinar las características de una chimenea es imprescindible conocer
el tipo de fluido que se espera que circule por ella.
Normalmente se trata de humos producto de la combustión de combustibles
fósiles (carbón, derivados líquidos o gaseosos del petróleo), madera, etc., en
aire ambiente.
o
Sin embargo, aun en estos casos, hay que tener en cuenta la posible
“contaminación” de estos humos con sustancias desprendidas de los procesos
en los que intervienen, como por ejemplo, los hornos de reverbero.
En el caso frecuente de combustibles líquidos (fuel-oil, gasoil, etc.) o gaseosos
(hidrocarburos gaseosos o “gas natural”), estos humos se componen de:
•
•
•
•
N2:procedente del aire comburente.
CO2 y H2O (vapor): procedentes de la combustión de los hidrocarburos,
junto con pequeñas cantidades provenientes de la propia composición
de aire comburente.
O2: procedente del aire comburente en exceso respecto al necesario
para una combustión estequiométrica.
NOX: si la temperatura alcanzada por la llama supera los 1.300ºC en
alguna zona, la combinación del nitrógeno del aire (o de los compuestos
nitrogenados presentes en el combustible) con el oxígeno se realiza a
velocidades apreciables, contaminando los humos con óxidos de
77
•
•
•
nitrógeno en proporciones suficientes como para sobrepasar las
normativas de ciertos países.
SOX: algunos combustibles, especialmente los líquidos, contienen azufre
en proporciones que pueden variar entre menos de un 1% (combustibles
B.T.S.) hasta algo más de un 5% (fueles pesados) que combinado con el
oxígeno del aire, da lugar a diferentes compuestos de azufre, todos ellos
considerados como contaminantes por las administraciones de
diferentes países
CO: resultado de una combustión incompleta
Radicales libres, partículas sólidas (fundamentalmente de carbono) y
otros productos, procedentes de impurezas en el combustible (metales
pesados), aunque todos ellos en muy pequeñas proporciones.
A título de ejemplo, en la tabla adjunta puede verse composiciones típicas de
humos producidos por la combustión estequiométrica de un combustible líquido
y un “gas natural” en aire, comparadas con la del aire ambiente (con una
humedad relativa de un 50%).
Composiciones en % en peso
Componente
Aire
Con Fuel
oil
Con Gas
Natural
CO2
0,05
20,8
15,4
HO2
0,56
7.6
12,4
SO2
0,00
0,4
0,0
N2
75,05
70,0
70,9
O2
23,07
0,0
0,0
Ar
1,27
1,1
1,2
Otros
-
0,1
0,1
Kcal/Kg/ºC
0,23
0,25
0,26
Densidad, Kg/m3
1,288
1,311
1,254
Kg aire/Kg comb.
-
14
17
Calor específico|
Las propiedades de los humos se asemejan a las del aire ambiente (con un
50% de humedad relativa).
Normalmente, la combustión se realiza en ambientes con exceso de aire
comburente respecto de la proporción estequiométrica, llegándose a duplicar o
triplicar esta proporción. En estos casos con más motivo, las propiedades de
los humos se acercan a las del aire. Por estas razones, y a efectos de cálculos
técnicos –y en una primera aproximación– se pueden tomar como propiedades
de los humos de la combustión de derivados del petróleo, las del aire.
78
La Sección de Paso de Humos por la Chimenea
La velocidad mínima de evacuación de los humos por la coronación de la
chimenea suele venir fijada por la normativa correspondiente de la
Administración Pública del lugar.
A modo de orientación, puede decirse que las velocidades medias deberían
oscilar entre un mínimo de 5 m/s y los 17 m/s. Una velocidad media de 10 m/s
suele considerarse como adecuada.
Dados el volumen de gases (caudal másico Q Kg/s y su temperatura ThC) y su
velocidad (V = 10 m/s), resulta sencillo determinar la sección de paso (o su
diámetro) de los humos por la chimenea:
Sección =
d0 = densidad de los humos en Condiciones Normales (0ºC, 1 atm.) = 1,29
Kg/Nm3
Altura de la Chimenea
Para la Dispersión de los Humos en Atmósfera Libre La altura mínima de una
chimenea emitiendo gases considerados por la legislación U.E. como
contaminantes, viene determinada por la normativa correspondiente del lugar
en el que se ubique.
Para la Obtención de una Depresión Mínima Determinada en su Base Además
de dispersar los humos en la atmósfera, corrientemente las chimeneas tienen
por objeto la creación, en su base, de una depresión o aspiración, que permite
la circulación de estos humos desde su origen (hogar, horno, caldera, etc.)
hasta su salida a la atmósfera libre, a unas velocidades determinadas.
Esto exige la creación, dentro del circuito completo, de un diferencial de
presiones que compense tanto las pérdidas de carga de los humos dentro de
los aparatos en los que se generan (ΔP1), como en la propia chimenea (ΔP2) y
proporcionarles la energía cinética para su salida por la coronación de la
chimenea a la velocidad V
.
El valor de ΔP1 vendrá determinado por el tipo de instalación de que se trate, y
no es tema a tratar en este artículo.
La pérdida de carga ΔP 2 en la chimenea puede expresarse como un factor de
la energía cinética de los humos y de su altura relativa H/D:
.
79
siendo f el factor adimensional de "Fanning", que a su vez es una función del
"número de Reynolds". A esta presión hay que añadir el valor de la presión
dinámica en la coronación de la chimenea:
.
El valor total de la depresión necesaria es:
.
A efectos prácticos, puede decirse que para chimeneas ya en uso (rugosidad
media) la expresión anterior puede quedar así:
ΔP = presión, mm c.a.
V = velocidad media de los humos, m/s.
H = altura de la chimenea, m.
D = diámetro interior, m.
.
Esta depresión puede obtenerse al pié de la chimenea por diferentes
procedimientos, de entre los cuales cabe destacar tres:
Tiro Natural
Para ello se aprovecha el efecto de empuje de Arquímedes que sufren los
gases calientes rodeados por otros, más fríos.
La chimenea contiene una columna de humos calientes, rodeada de aire a una
temperatura ambiente, inferior. El empuje, o tiro, se calcula por la diferencia del
peso de ambas columnas, de altura igual a la de la chimenea.
La forma más sencilla de estimar esta diferencia consiste en considerar las dos
columnas como de aire a temperaturas distintas pero uniformes: Para la
columna caliente, la temperatura será la de entrada de los humos en la
chimenea, menos una cantidad por pérdidas, que puede estimarse en unos
0,08 ºC/m. Para el aire ambiente, la de éste a nivel del suelo:
mm.c.a.
d0 = Densidad de los humos a 0ºC y 1 atm, Kg/Nm3
H = Altura de la chimenea, m
Ta = Temperatura ambiente, ºC
TH = Temperatura de los humos en la base, menos 0,08•H, ºC
P = Presión atmosférica en la base de la chimenea
Po = Presión atmosférica a la altura del mar (~10.331 mm c.a.) que puede
quedar así:
mm.c.a
El cálculo exacto puede realizarse mediante la aplicación del conjunto de
ecuaciones que se exponen el Anexo I.
80
Las diferencias entre la fórmula aproximada anterior y el cálculo más preciso,
no superan en ningún caso el 2%.
Tiro Forzado
En este caso los humos son aspirados por un ventilador especial, resistente a
las temperaturas y agresiones de los componentes de los humos, e impulsados
a la chimenea, cuya altura ahora depende exclusivamente de los
condicionantes de contaminación impuestos por la legislación del lugar.
Este sistema presenta la ventaja de no precisar más altura de chimenea que la
impuesta por la legislación acerca de la contaminación atmosférica del lugar,
pero consume energía motriz (eléctrica) y está sujeto a las paradas del
ventilador por mantenimiento o avería. Precisa, por lo tanto, de un doble
ventilador.
La definición del ventilador es inmediata, conociendo las características de los
humos y de la instalación: caudal de humos, su temperatura y la depresión ΔP.
Tiro Inducido
En la base o en un punto cualquiera de la chimenea, se instala una boquilla
que inyecta aire ambienta, impulsado por un ventilador normal, que induce el
tiro (se le suele llamar efecto Venturi).
Tiene las mismas ventajas e inconvenientes del caso anterior, aunque suele
consumir más energía que aquel, si bien la inversión en ventiladores es inferior,
puesto que no se trata de ventiladores especialmente resistentes a temperatura
y agresiones químicas.
La definición del ventilador, es algo más complicada. Será objeto, en su
momento, de un artículo especialmente dedicado a ella.
Tipo de Material Estructural.
Hasta mediados del siglo XX, la mayor parte de las chimeneas se construían
de ladrillo, conservándose hoy en día, verdaderas obras maestras de este tipo
de arquitectura industrial de ladrillo. Posteriormente, se utilizaron bloques
prefabricados de hormigón, huecos, que se iban rellenando de hormigón y con
las varillas correspondientes de acero, para armar el conjunto a medida que se
iba subiendo en altura.
Por último, las técnicas actuales utilizan los encofrados deslizantes para la
construcción de chimeneas (y silos) de hormigón armado. También se han
utilizado y siguen usando, las chimeneas metálicas de chapa de acero, que
resultan ser en muchas ocasiones, más económicas y fáciles de instalar.
En algunos casos, y en función de la calidad de los humos, se recubren
interiormente con materiales refractarios resistentes al ataque químico de
ciertos productos que acompañan a los humos. Ampliaremos este punto más
adelante.
81
Resistencia a las Acciones Externas
Cargas de Uso
Las chimeneas deben estar provistas de un conjunto de pasarelas para
mantenimiento y acceso a los elementos de control de contaminantes, balizado
de la coronación y mantenimiento general, con sus accesos reglamentarios.
Salvo indicaciones particulares, unas cargas sobre estas pasarelas se deberán
considerar excéntricas y con valores puntuales de 1.000 N, que se sumarán a
una carga uniforme y simétrica de 2.000 N/m2 en cada pasarela.
NOTA: En la definición de las cargas propias (masa de la estructura) no
debe olvidarse la masa correspondiente al revestimiento interior de la
chimenea.
Viento
Una chimenea debe ser considerada, a los efectos del cálculo de la resistencia
mecánica a las acciones externas, como una viga empotrada en una de sus
extremos.
Puesto que las chimeneas deben llevar un conjunto de pasarelas para
mantenimiento y acceso a los elementos de control de contaminantes, también
debe ser considerada la influencia del empuje del viento sobre estos
elementos, de acuerdo con la NORMA ya citada.
•
Fórmula de Blenk, Fuchs y Liebers
Un viento, aun siendo uniforme, puede dar lugar a empujes periódicos que
pueden establecer vibraciones que entren en resonancia con la frecuencia
propia de la estructura.
Este fenómeno debido a los llamados vórtices de Kármán, produce frecuencias
de vibración que se deducen de la fórmula de Blenk, Fuchs y Liebers:
,
en la que:
η : es la frecuencia de la vibración producida por el viento, seg–1
VV: la velocidad del viento, m/s
De: diámetro exterior de la chimenea, m
Para paliar este peligroso fenómeno, deberán adoptarse medidas, tales como
envolver la parte superior de la chimenea con unas bridas en forma de hélice
rodeando la superficie externa (que pretenden romper la formación de estos
vórtices), o masas de agua, etc., que alejen la frecuencia propia de la
estructura de los valores debidos al efecto Kármán.
82
Cimentación
Atendiendo a las acciones citadas anteriormente, se definirá la cimentación de
la chimenea en función de estas y muy particularmente de las condiciones
geológicas del terreno.
Un punto importante en el diseño de la cimentación es la unión de esta con el
conducto de humos y la parte cilíndrica de la chimenea. Esta unión debe
realizarse mediante una zona de transición en la que se practiquen aberturas
especialmente diseñadas para el entronque de la chimenea con la llegada de
los humos, así como para su inspección y limpieza por la parte inferior.
En el caso de chimeneas de hormigón armado, el entronque se realizará
“según las reglas del arte”.
Se si trata de chimeneas metálicas, el entronque con la parte metálica –que
deberá realizarse en hormigón armado, como la cimentación– se efectuará
mediante la introducción en el hormigón del entronque de los pernos
adecuados, en los que atornillará la primera brida de la chimenea, reforzada
con las cartelas que los cálculos aconsejen.
Tipos de Material de Revestimiento Interior
De acuerdo con la composición y temperaturas de los humos, el interior de la
chimenea deberá revestirse con materiales adecuados, y sujetos
convenientemente al material estructural que lo sostendrá.
Estos materiales suelen ser de naturaleza refractaria, silicoaluminosos o
similares.
Comúnmente los humos, por debajo de cierta temperatura, en el ambiente
oxidante y húmedo propio del exceso de comburente, toman un carácter ácido
(formación de ácidos sulfurosos, nitrosos, etc.) que pueden atacar el interior de
la chimenea. En el caso de humos muy ácidos, se recomiendan materiales
borosilicatados. Si se trata de humos producidos por la combustión en aire de
gas natural, pueden utilizarse aceros especiales, no muy caros, que se usan
como material estructural y resisten bien la agresión de estos humos, con lo
que se abarata considerablemente la construcción del conjunto.
Anexo
Variación de la Presión Atmosférica con la Altura
La presión atmosférica disminuye con la altura sobre el nivel del mar.
Suponemos que esta presión es igual a 760 mm Hg. En otras unidades, esta
presión vale: P0=
1 atmósfera
101.330 Pascales = 101.330 N/m2
1,033 Kp/cm2 = 1,033 bares
10.333 mm c.a.
El valor de la presión nominal a una altura h valdrá:
83
Ma: peso molecular equivalente del aire, función de su humedad relativa
≈ (
28,9 g/mol)
g: 980,65 cm/s2
h: altura, cm
R: constante de los gases perfectos = 0,082054 atm•l/ºK/mol =
8,31434•107erg/ºK/mol
T: temperatura absoluta del aire = ºC + 273,16
Peso de la Columna de Aire Rodeando a la Chimenea
Cota geográfica del pié de la chimenea : h0
Cota geográfica del la coronación: hH
Altura de la chimenea: H = hH – h0
Temperatura absoluta del aire: T
Peso de la Columna de Humos en la Chimenea
Siendo:
Ta: temperatura absoluta de los humos en el pie de la chimenea
Tb: temperatura absoluta de los humos en la coronación
Mh: peso molecular equivalente del humo, función de su composición.
Consultar [2] Capítulo IV.
•
Temperatura de los Humos en la Coronación
en la que:
Tc: temperatura de los humos en la coronación de la chimenea, ºC
T : temperatura de los humos en la base de la chimenea, ºC
Ta: temperatura del aire ambiente, ºC
Dc: diámetro exterior máximo de la chimenea, m
H : altura de la chimenea, m
q : caudal de los gases, Kg/h
Cp: calor específico de los humos, Kcal/Kg/ºC
U : coeficiente global de transmisión calorífica humos / aire ambiente,
Kcal/h/m2/ºC
•
El valor de U a su vez se determina a partir del conocimiento de:
o hh: coeficiente de transmisión calorífica humos / pared interior de
chimenea
84
o
o
ha: coeficiente de transmisión calorífica aire ambiente / pared
exterior de la chimenea
: (conductividad térmica / espesor), de la pared de la chimenea

Para el cálculo de los coeficientes de transmisión calorífica entre pared y
fluidos, se proponen las fórmulas aproximadas siguientes:
hh (Kcal/h/m2/ºC) = 10,9.Cp (Kcal/Kg•ºC)· [V (m/s)•d(Kg/m3)]0,8/[Di(m)]0,2
ha (Kcal/h/m2/ºC) = 3,53·[Vaire (m/s)]0,6)]/[De(m)]0,4)]
85
UNIDAD IV
OBJETIVO
“Dispositivos de Control y Seguridad.”
Comprende el funcionamiento y mecanismo de Válvulas de Control,
de Seguridad y Venteos.
[Diseño d elementos de Equipo] | Ingeniería Ambiental
86
VÁLVULAS DE CONTROL
“Es un elemento final de control que implementa la estrategia de control”
La válvula automática de control generalmente constituye el último elemento en
un lazo de control instalado en la línea de proceso y se comporta como un
orificio cuya sección de paso varia continuamente con la finalidad de controlar
un caudal en una forma determinada.
Partes de la válvula de control.
Las válvulas de control constan básicamente de dos partes que son: la parte
motriz o actuador y el cuerpo.
•
Actuador: el actuador también llamado accionador o motor, puede ser
neumático, eléctrico o hidráulico, pero los más utilizados son los dos
primeros, por ser las más sencillas y de rápida actuaciones.
Aproximadamente el 90% de las válvulas utilizadas en la industria son
accionadas neumáticamente. Los actuadores neumáticos constan
básicamente de un diafragma, un vástago y un resorte tal como se
muestraen la figura (1-a.). Lo que se busca en un actuador de tipo
neumático es que cada valor de la presión recibida por la válvula
corresponda una posición determinada del vástago. Teniendo en cuenta
que la gama usual de presión es de 3 a 15 lbs/pulg² en la mayoría de los
actuadores se selecciona el área del diafragma y la constante del resorte
de tal manera que un cambio de presión de 12 lbs/pulg², produzca un
desplazamiento del vástago igual al 100% del total de la carrera.
Actuador de una válvula de control.
•
Cuerpo de la válvula: este esta provisto de un obturador o tapón, los
asientos del mismo y una serie de accesorios. La unión entre la válvula y
la tubería puede hacerse por medio de bridas soldadas o roscadas
directamente a la misma. El tapón es el encargado de controlar la
cantidad de fluido que pasa a través de la válvula y puede accionar en la
dirección de su propio eje mediante un movimiento angular. Esta unido
por medio de un vástago al actuador.
87
VÁLVULAS DE SEGURIDAD
Estas válvulas se colocan en las líneas o equipos para evitar un aumento
excesivo de la presión o temperatura del fluido en ellos contenido.
Composición y funcionamiento
El tipo más corriente de válvula limitadora de presión es una válvula de asiento
(normalmente de ángulo) en la que el obturador permanece cerrado por la
acción de un muelle o de un contrapeso. Cuando la presión del fluido alcanza
un valor prefijado, se produce la apertura del obturador, que no cierra mientras
la presión no descienda una cierta cantidad bajo dicho valor.
Características
Al abrir
escape
Para el
presión
la válvula, el fluido descarga directamente a la atmósfera (válvulas de
libre), o a través de una tubería (válvulas de escape conducido).
trabajo adecuado de una válvula de seguridad, se recomienda que la
de trabajo no exceda del 90% de la presión de apertura. En el caso de
88
las líneas de descarga de bombas y compresores ,debido a las pulsaciones de
presión, hay que aumentar la diferencia entre ambas presiones, para evitar
actuaciones erróneas de la válvula.
La presión en la descarga de una válvula de seguridad puede ser constante
(por ejemplo, cuando se descarga a la atmósfera) o variable (debido a la salida
del propio fluido, o a la presión ya existente en la línea de descarga).
Aplicaciones
Se utiliza para limitar la presión o la temperatura de flujos de gases, vapores o
líquidos. Para liberar grandes cantidades de flujo se emplean los llamados
discos de rotura.
Han de observarse las normas siguientes:
•
•
•
•
•
•
No debe existir ninguna válvula de cierre entre el equipo y la válvula de
seguridad.
La válvula de seguridad ha de instalarse lo más cerca posible del
equipo.
Debe ser accesible y poderse accionar manualmente.
El caudal que pueda desahogar la válvula, debe de ser tal que la presión
en el equipo no sobrepase el 10% de la masa.
El ajuste de la válvula tiene que ser protegido para que nadie pueda
alterarlo sin conocimiento.
Debe desahogar a sitio seguro para evitar que ocasione daños.
Suele colocarse una válvula de seguridad en aquellos servicios que la
presión se eleve por encima de 0,5 kilos centímetro cuadrado, sobre la
presión normal del servicio.
Se pueden clasificar en:
•
Según su accionamiento:
o De muelle o recorte.
Para su funcionamiento manual van provistas de una palanca.
Suelen ser ligeras.
Como desventaja tiene:
La fuerza del resorte no permanezca constante sino
aumenta
conforme
trabaja
la
válvula.
El material del resorte envejezca y halla que volver a
regular la válvula.
Cuando se calienta para dejar salir el vapor, la fuerza del
resorte disminuye.
89
o De contrapeso.
Suelen ser típicas de instalaciones terrestres y estacionarias,
ya que son muy sensibles a los problemas vibratorios y a los
golpes. Suelen ser muy voluminosas y pesadas, aunque son
fáciles de probar, levantando el contrapeso.
•
Según la carrera:
o De pequeña carrera (alivio)-Relief. Para pequeños caudales a
desahogar.
o De gran carrera (seguridad)-Safery. Para grandes caudales a
desahogar.
Suelen emplearse para vapor o gases. La carrera es 1/3 del
diámetro del platillo. Suelen situarse en lugares donde la
acumulación del vapor o del gas suelen ser rápida. A veces es
necesario disponer varias válvulas. El funcionamiento de estas
válvulas es que el vapor desahogado se proyecta sobre un
segundo platillo el cual es levantado por la acción del choque
del fluido.
•
Según el medio de apertura:
o Accionado directamente. Válvula comandada por válvula o
medios auxiliares.
Suelen recibir la orden de abrir o cerrar a través de una válvula
auxiliar de seguridad.
Suelen componerse de cilindro de trabajo (que va accionado
por la válvula auxiliar) recorte y freno de aceite. Como hay que
evitar la condensación de vapor en el tubo de unión entre la
válvula auxiliar y la de seguridad, tendrá una caída de 1200.
Las válvulas auxiliares suelen estar sometidas a frecuentes
averías.
Estos sistemas se pueden clasificar en dos grupos. En el
primero, el vapor que pasa a través de la válvula de seguridad
auxiliar, mantiene cerrada la válvula de seguridad principal,
mientras que la presión del sistema se mantenga por debajo
de la presión máxima. En el segundo, la válvula de seguridad
no da paso al vapor a la válvula principal, mientras la presión
en el sistema sea inferior a la máxima.
90
VENTEOS ATMOSFÉRICOS
El venteo de explosiones es un diseño conceptual pasivo que aporta:
 Protección contra la sobrepresión, mediante un área determinada por
normas internacionales
 Canalización de las llamas y su onda expansiva hacia una zona segura.
Consideraciones para el venteo.
Presión.
a)
La presión máxima que resiste el tanque, debe ser
considerada igual al peso del techo por unidad de área, para el
espesor actual que tenga el techo del tanque.
b) El dispositivo de relevo de presión o venteo debe tener una
capacidad de venteo tal que permita desfogar el flujo requerido
para el caso de una contingencia, sola o cualquier probable
combinación de contingencias, durante una exhalación térmica
que se pueda presentar a las condiciones normales de operación.
La capacidad requerida de flujo puede ser menor para productos
cuya volatilidad sea tal que la condensación de vapor esté dentro
del rango de presión de operación permisible del tanque y
proporcione el venteo total o parcialmente. Asimismo, se debe
tomar en cuenta si es el caso, la presencia de incondensables.
c) Cuando se trate de un tanque nuevo, el diseñador del tanque
que especifica los dispositivos de venteo, se debe asegurar que
éstos sean compatibles con el diseño del tanque.
La presión de ajuste debe ser más baja que la presión de diseño
del tanque, así como la presión de operación debe ser menor que
la presión de ajuste para permitir las variaciones normales de
operación, que son causadas por cambios de temperatura y por
otros factores que afecten la presión del vapor en el tanque. Las
91
presiones de ajuste y relevo deben cumplir con los requisitos del
estándar según el cual fue diseñado y fabricado el tanque.
d) La presión de ajuste del dispositivo para relevo de presión, no
debe exceder la acumulación como presión máxima que puede
existir en el punto donde el dispositivo esté instalado, cuando la
presión en la parte superior del tanque sea igual a la presión
nominal del tanque y el líquido contenido en el tanque esté al nivel
máximo de diseño. Bajo condiciones normales, los dispositivos de
relevo de presión deben tener la capacidad de flujo necesaria,
para evitar que la presión se eleve más de 10% sobre la presión
de operación máxima permitida.
Vacío
a) El vacío máximo que resiste el tanque es el determinado por la
ingeniería de detalle desarrollada con base al código con que se
diseñó, como el Apéndice V del API 650 o equivalente; el cual
debe ser considerado como referencia para fijar el valor de ajuste
de la válvula para relevo del vacío formado al interior del tanque.
b) Cuando exista la posibilidad de la formación de vacío por
inhalación térmica, se debe instalar un dispositivo para relevarlo
mediante la entrada de aire u otro gas o vapor para evitar que sea
excesivo; en cuyo caso, la capacidad requerida puede ser menor
para productos con una volatilidad tal, que la generación de vapor
esté dentro del rango de presión permisible para operación del
tanque. Siendo el caso, se debe tomar en cuenta la presencia de
incondensables.
c) La capacidad de flujo necesaria, debe ser tal que se anule el
vacío formado para el caso de mayor contingencia sencilla o
cualquier probable combinación de contingencias que se puedan
presentar en condiciones normales de operación.
d) La presión de ajuste y relevo para romper el vacío se debe
establecer para impedir daños al tanque y limitar el vacío en un
valor no mayor que el de diseño del tanque. Los dispositivos para
relevo de vacío se deben ajustar para abrir y asegurar que el
vacío dentro del mismo no exceda el rango de diseño, cuando el
flujo de aire hacia el interior a través del dispositivo sea a la
máxima velocidad especificada.
92
Alivio de presión y vacío
La presión de alivio debe ser seleccionada con base a los siguientes criterios:
a) La presión siempre debe ser inferior a la máxima que resiste el
tanque.
b) Para efectos de diseño, la presión absoluta para alivio del vacío,
debe ser mayor que el valor mínimo que resiste el tanque.
c) Para una mayor presión seleccionada, la cantidad de venteos
necesarios es menor y consecuentemente, las pérdidas por evaporación
son también menores.
UNIDAD V
OBJETIVO
“Cambiadores de Calor.”
Conoce la clasificación y el diseño mecánico de cambiadores de
calor
[Diseño d elementos de Equipo] | Ingeniería Ambiental
94
INTERCAMBIADORES DE CALOR
En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el calor
debe ser transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Los
intercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha
tarea. Un entendimiento básico de los componentes mecánicos de los
intercambiadores de calor es necesario para comprender cómo estos funcionan
y operan para un adecuado desempeño.
El objetivo de esta sección es presentar los intercambiadores de calor como
dispositivos que permiten remover calor de un punto a otro de manera
específica en una determinada aplicación. Se presentan los tipos de
intercambiadores de calor en función del flujo: flujo paralelo; contraflujo; flujo
cruzado. Además se analizan los tipos de intercambiadores de calor con base
en su construcción: tubo y carcaza; placas, y se comparan estos. Se presentan
también los intercambiadores de paso simple, de múltiples pasos,
intercambiador de calor regenerador e intercambiador de calor no regenerativo.
Al final se incluyen algunas de las posibles aplicaciones de los
intercambiadores de calor.
Como hemos mencionado, un intercambiador de calor es un componente que
permite la transferencia de calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido. Entre
las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se
encuentran las siguientes:
•
•
•
•
•
Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura.
Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor
temperatura.
Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor
temperatura.
Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío.
Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido
gaseoso con mayor temperatura.
Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la
transferencia de calor, donde los fluidos involucrados deben estar a
temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere
en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de
menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluidos utilizados no
están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor
temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en
contacto térmico con las paredes metálicas que los separan.
Tipos de intercambiadores de calor según su construcción
Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable
variedad de formas y tamaños, la construcción de los intercambiadores está
incluida en alguna de las dos siguientes categorías: carcaza y tubo o plato.
Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos presenta ventajas
o desventajas en su aplicación.
95
Carcaza y tubo
La construcción más básica y común de los intercambiadores de calor es el de
tipo tubo y carcaza que se muestra en la figura.
Intercambiador de calor de carcasa y carcaza
Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tubos en un contenedor
llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina
comúnmente flujo interno y aquel que fluye en el interior del contenedor como
fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubos, el fluido interno
es separado del fluido externo de la carcaza por la(s) placa(s) del tubo. Los
tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello
adecuado. En sistemas donde los dos fluidos presentan una gran diferencia
entre sus presiones, el líquido con mayor presión se hace circular típicamente a
través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de
la cáscara. Esto es debido a los costos en materiales, los tubos del
intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones más altas
que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo. Las placas de
soporte (support plates) mostradas en figura, también actúan como bafles para
dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia atrás a
través de los tubos.
Intercambiadores de Plato
El intercambiador de calor de tipo plato, como se muestra en la figura (2),
consiste de placas en lugar de tubos para separar a los dos fluidos caliente y
96
frío Los líquidos calientes y fríos se alternan entre cada uno de las placas y los
bafles dirigen el flujo del líquido entre las placas. Ya que cada una de las
placas tiene un área superficial muy grande, las placas proveen un área
extremadamente grande de transferencia de térmica a cada uno de los líquidos
.Por lo tanto, un intercambiador de placa es capaz de transferir mucho más
calor con respecto a un intercambiador de carcaza y tubos con volumen
semejante, esto es debido a que las placas proporcionan una mayor área que
la de los tubos. El intercambiador de calor de plato, debido a la alta eficacia en
la transferencia de calor, es mucho más pequeño que el de carcaza y tubos
para la misma capacidad de intercambio de calor.
Intercambiador de calor de tipo plato.
Sin embargo, el tipo de intercambiadores de placa no se utiliza extensamente
debido a la inhabilidad de sellar confiablemente las juntas entre cada una de
las placas. Debido a este problema, el tipo intercambiador de la placa se ha
utilizado solamente para aplicaciones donde la presión es pequeña o no muy
alta, por ejemplo en los refrigeradores de aceite para máquinas. Actualmente
se cuentan importantes avances que han mejorado el diseño de las juntas y
sellos, así como el diseño total del intercambiador de placa, esto ha permitido
algunos usos a gran escala de este tipo de intercambiador de calor. Así, es
más común que cuando se renuevan viejas instalaciones o se construyen
nuevas instalaciones el intercambiador de la placa está substituyendo
paulatinamente a los intercambiadores de carcaza y tubo.
Tipos de intercambiadores de calor según su operación
Ya que los intercambiadores de calor se presentan en muchas formas,
tamaños, materiales de manufactura y modelos, estos son categorizados de
97
acuerdo con características comunes. Una de las características comunes que
se puede emplear es la dirección relativa que existe entre los dos flujos de
fluido. Las tres categorías son: Flujo paralelo, Contraflujo y Flujo cruzado.
Flujo paralelo.
Como se ilustra en la figura , existe un flujo paralelo cuando el flujo interno o de
los tubos y el flujo externo o de la carcaza ambos fluyen en la misma dirección.
En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador por el mismo extremo y
estos presentan una diferencia de temperatura significativa. Como el calor se
transfiere del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor
temperatura, la temperatura de los fluidos se aproximan la una a la otra, es
decir que uno disminuye su temperatura y el otro la aumenta tratando de
alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe quedar claro que el fluido con
menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente.
Intercambiador de calor de flujo paralelo.
Contraflujo
Como se ilustra en la figura, se presenta un contraflujo cuando los dos fluidos
fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos
entra al intercambiador por diferentes extremos Ya que el fluido con menor
temperatura sale en contraflujo del intercambiador de calor en el extremo
donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frío
se aproximará a al temperatura del fluido de entrada. Este tipo de
intercambiador resulta ser más eficiente que los otros dos tipos mencionados
anteriormente. En contrate con el intercambiador de calor de flujo paralelo, el
intercambiador de contraflujo puede presentar la temperatura más alta en el
fluido frío y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realizada la
transferencia de calor en el intercambiador
98
Intercambiador de Contraflujo
Flujo cruzado
En la figura se muestra como en el intercambiador de calor de flujo cruzado
uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro fluido, esto es, uno de
los fluidos pasa a través de tubos mientras que el otro pasa alrededor de
dichos tubos formando un ángulo de 90 Los intercambiadores de flujo
cruzado son comúnmente usado donde uno de los fluidos presenta cambio de
fase y por tanto se tiene un fluido pasado por el intercambiador en dos fases
bifásico. Un ejemplo típico de este tipo de intercambiador es en los sistemas de
condensación de vapor, donde el vapor exhausto que sale de una turbina entra
como flujo externo a la carcaza del condensador y el agua fría que fluye por los
tubos absorbe el calor del vapor y éste se condensa y forma agua líquida. Se
pueden condensar grandes volúmenes de vapor de agua al utiliza este tipo de
intercambiador de calor.
Intercambiador de calor de flujo cruzado.
En la actualidad, la mayoría de los intercambiadores de calor no son puramente
de flujo paralelo, contraflujo, o flujo cruzado; estos son comúnmente una
combinación de los dos o tres tipos de intercambiador. Desde luego, un
intercambiador de calor real que incluye dos, o los tres tipos de intercambio
99
descritos anteriormente, resulta muy complicado de analizar. La razón de incluir
la combinación de varios tipos en uno solo, es maximizar la eficacia del
intercambiador dentro de las restricciones propias del diseño, que son: tamaño,
costo, peso, eficacia requerida, tipo de fluidos, temperaturas y presiones de
operación, que permiten establecer la complejidad del intercambiador.
Intercambiadores de un solo paso (o paso simple) y de múltiple pasos.
Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y
permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que
pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple.
Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se
denomina intercambiador de múltiple pasos . Sí el fluido sólo intercambia calor
en una sola vez, se denomina intercambiador de calor de paso simple o de un
solo paso. En la figura, se muestra un ejemplo de estos intercambiadores.
Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del flujo
en los tubos al utilizar dobleces en forma de "U"en los extremos, es decir, el
doblez en forma de "U" permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área
de transferencia del intercambiador. Un segundo método para llevar a cabo
múltiples pasos es insertar bafles o platos dentro del intercambiador.
Intercambiador de un solo paso e intercambiador de múltiple paso
Intercambiadores Regenerativos y No-regenerativos
Los intercambiadores de calor también pueden ser clasificados por su función
en un sistema particular. Una clasificación común es:
•
•
Intercambiador regenerativo.
Intercambiador no-regenerativo.
100
Un intercambiador regenerativo es aquel donde se utiliza el mismo fluido (el
fluido caliente y el fluido frío es el mismo) como se muestra en lo figura, Esto
es, el fluido caliente abandona el sistema cediendo su calor a un regenerador y
posteriormente regresando al sistema. Los intercambiadores regenerativos son
comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas donde una porción
del fluido del sistema se remueve del proceso principal y éste es
posteriormente integrado al sistema. Ya que el fluido que es removido del
proceso principal contiene energía (energía interna, mal llamado calor), el calor
del fluido que abandona el sistema se usa para recalentar (regenerar) el fluido
de regreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo más frío lo que
mejora la eficacia del intercambiador. Es importante recordar que el término
"regenerativo/no-regenerativo" sólo se refiere a "cómo" funciona el
intercambiador de calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador
(carcaza y tubo, plato, flujo paralelo, contraflujo).
Intercambiador regenerativo e Intercambiador no-regenerativo.
En un intercambiador regenerativo, como se muestra en la figura, el fluido con
mayor temperatura en enfriado por un fluido de un sistema separado y la
energía (calor) removida y no es regresaba al sistema.
101
Funcionamiento de los intercambiadores de calor
Como hemos visto hasta ahora, la función general de un intercambiador de
calor es transferir calor de un fluido a otro. Los componentes básicos de los
intercambiadores se puede ver como un tubo por donde un flujo de fluido está
pasando mientras que otro fluido fluye alrededor de dicho tubo. Existen por
tanto tres intercambios de calor que necesitan ser descritos:
1 Transferencia de calor convectiva del fluido hacia la pared interna del tubo
2 Transferencia de calor conductiva a través de la pared del tubo
3 Transferencia de calor convectiva desde la pared externa del tubo hacia el
fluido exterior.
Para desarrollar la metodología para el análisis y diseño de un intercambiador
de calor, atendemos primero el problema de la transferencia de calor del fluido
interno en el tubo hacia el fluido externo en la carcaza.
Relaciones gobernantes
Consideremos que existen dos flujos en un intercambiador de calor, el fluido
caliente tiene una razón de capacidad calorífica defina como
Donde
es el flujo másico y
es su capacidad calorífica a presión constante y análogamente para el fluido
frío se tiene
.
Entonces, con base en la Primera Ley de la Termodinámica o Conservación de
la Energía, se establece que el calor transferido entre ambos flujos se puede
describir por un balance de entalpía de la forma
(1)
donde los subíndices 1 y 2 se refieren a entrada o salida del intercambiador,
respectivamente, y las literales
y
son empleadas para indicar las
temperaturas caliente y fría, respectivamente.
La ecuación es una representación ideal donde no se consideran pérdidas de
calor y ésta sólo describe el calor que será transferido (la capacidad o
comportamiento del intercambiador) para el caso donde se conocen los flujos
102
másicos y las temperaturas de operación. Sin embargo, dicha ecuación no
provee ninguna indicación del tamaño del intercambiador necesaria para
mejorar su capacidad o eficacia. Si consideramos el tamaño del intercambiador
en la ecuación (1) podemos escribir,
(2)
Donde
y
son las áreas de las superficies caliente y fría del intercambiador,
y
son los coeficientes globales de transferencia de calor referidos a la parte
caliente y fría del intercambiador, y
es la diferencia de temperaturas en operación. Las cantidades
y
son los eficacias de intercambio de aleta y en el caso donde no se conocen
para el intercambiador se puede utilizar la aproximación
Así, el proceso de intercambio de calor completo se puede representar por
(3)
que es en definitiva la combinación de las ecuaciones (1) y (2).
Área de superficie del intercambiador
Considere un tubo de longitud como se muestra en la figura (a). Se observa
que la pared del tubo tiene un espesor
,
así que el diámetro interno es menor que el diámetro externo y las áreas
superficiales serán ligeramente diferentes, tal que,
(4)
103
(5)
En el caso de un tubo con aletas, una hacia adentro del tubo y otra hacia
afuera, como se muestra en la figura (b), las áreas de la superficies de dichas
aletas son entonces:
(6)
(7)
donde
y
son el número de aletas dentro y fuera de la pared del tubo,
respectivamente, y despreciamos la transferencia de calor que ocurre a través
del área de la pared extrema (en la punta de la aleta) de las aletas, tanto en las
aletas internas como en las externas. En este caso podemos decir que las
áreas primas o las áreas de superficie básicas son entonces:
(8)
(9)
La superficie total será entonces
o bien
(10)
(11)
(a) Vista del extremo de un tubo recto y (b) pequeño ángulo central de un tubo
con aletas internas y externas.
104
La razón de la superficie aleteada y la superficie total es entonces
(12
)
(13
)
La eficacia global de la superficie
y
se basan en las áreas de
superficie básicas y en la superficie de operación aleteada con eficacias
y
, tal que podemos considerar,
ç
o bien
(14)
y de manera similar
(15)
Note que cuando no hay una superficie definida,
y las ecuaciones (14) y (15) se reducen a
105
Coeficiente de transferencia de calor global
En un intercambiador se tienen dos flujos de fluido, uno con mayor temperatura
que el otro, el calor se transfiere del fluido caliente al fluido frío a través de
cinco resistencias térmicas principales:
1.- Resistencia de capa convectiva de lado del fluido con mayor temperatura:
(16)
2.- Resistencia en el lado caliente por suciedad debido a la acumulación de
residuos de materiales indeseables en la superficie de intercambio de fluido
caliente:
(17)
3.- Resistencia del material del intercambiador, el cual presenta una
conductividad térmica finita y que toma un valor en función del tipo de
intercambiador :
(18
)
Donde
es el espesor del metal,
es el área de superficie del metal, y
es el número de tubos.
4.- Resistencia en el lado frío por suciedad:
(19)
5.- Resistencia de capa convectiva de lado del fluido con menor temperatura:
(20)
106
El conjunto de resistencias listadas en las ecuaciones (16) a (20) se encuentran
en serie y la resistencia total se puede representar por :
(21)
donde, por el momento las literales y
no tienen asignado ningún subíndice.
del lado derecho de la ecuación (21)
Al reescribir la ecuación (21) de la forma
(22)
tal que es una ecuación general y se puede especificar en términos de la
superficie de referencia seleccionada.
Sí el espesor del metal es pequeño y la conductividad térmica del metal
empleado es grande, la resistencia térmica del metal es despreciable y la
ecuación (22) se reduce a
(23)
Otras formas de simplificar la ecuación (23) son:
•
Para el lado caliente considerando suciedad
(24
)
Para el lado frío considerando suciedad
(25
)
Para el lado caliente sin considerar suciedad
(26)
107
•
Para el lado frío sin considerar suciedad
(27)
•
Para un intercambiador no definido donde
como referencia el lado caliente sin considerar suciedad
y tomando
(28)
•
Para un intercambiador no definido donde se toma como referencia el
lado frío sin considerar suciedad
Diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD)
Para los cuatro arreglos básicos simples indicados en la figuras (a, b, c, d,),
en las ecuaciones (2) y (3) es la diferencia de temperatura media logarítmica, la
cual se puede escribir como:
(30)
108
Cuatro arreglos básicos para los cuales la diferencia de temperatura
media logarítmica se puede determinar a partir de la ecuación (29): (a)
Contraflujo; (b) flujo paralelo; (c) fuente con temperatura constante y
receptor con incremento de temperatura; (d) temperatura constante en el
receptor y fuente con temperatura en decremento.
•
Para el intercambiador de contraflujo, donde los fluidos fluyen en
sentidos contrarios a través del intercambiador (figura (a) )
(31
)
•
Para el intercambiador de flujo paralelo, donde los fluidos fluyen en el
mismo sentido a través del intercambiador (figura (b) )
(32
)
•
Para el intercambiador que tiene temperatura constante,
•
,
y la temperatura del receptor se incrementa (figura (c) )
(33)
109
•
Para el intercambiador que tiene temperatura del receptor es constante,
, y la temperatura fuente disminuye (figura (d) ):
(34)
Debe quedar claro que estas expresiones simples para la diferencia de
temperatura media logarítmica sólo son validas para aquellos casos indicados
en la figuras (a, b, c, d) y no pueden ser empleados para otro tipo de arreglos
como el caso de flujo cruzado o intercambiadores de múltiple paso.
110
UNIDAD VI
OBJETIVO
“Equipos de manejo de Sólidos.”
Conoce la clasificación y el diseño mecánico de cambiadores de
calor
[Diseño d elementos de Equipo] | Ingeniería Ambiental
111
SECADORES
La operación de secado consiste en la eliminación de un líquido contenido en
un sólido, por medios térmicos. Los contenidos de humedad son generalmente
bajos en comparación con la cantidad de sólido. El secado generalmente es la
etapa final de una serie de operaciones y el producto obtenido de un secador,
queda frecuentemente listo para el envasado final.
El contenido de humedad de una substancia seca varía de un producto a otro.
En algunos casos el producto no contiene agua y se denomina "totalmente
seco". Sin embargo, lo más frecuente es que el producto contenga algo de
agua, por ejemplo, la sal de mesa seca contiene alrededor de 0.5% en peso de
agua; el carbón seco: 4%; la caseína seca del orden de 0.8% etc. El término
secado es relativo y significa solamente que hay una reducción en el contenido
de humedad desde un valor inicial hasta un final.
Velocidad de Secado
La capacidad de un secador térmico depende de la velocidad de transmisión de
calor y de la velocidad de transferencia de masa. Puesto que la humedad tiene
que evaporarse, hay que suministrar calor de secado a la zona de evaporación,
que puede estar en ó cerca de, la superficie del sólido o bien dentro del mismo,
dependiendo del tipo de material y de las condiciones del proceso.
La humedad debe fluír a través del sólido como líquido o como vapor, y como
vapor, desde la superficie del sólido hasta el seno de la cámara de secado.
Mecanismo del secado de sólidos
En la práctica del secado se encuentran dos clases de sólidos. Aunque muchos
sólidos se encuentran comprendidas entre estos dos extremos, es conveniente
suponer que el sólido es POROSO o NO POROSO y en cualquier caso puede
ser también HIGROSCÓPICO o NO HIGROSCÓPICO.
Las características del secado de un sólido determinado pueden examinarse
teniendo en cuenta la forma en que varía la velocidad de secado con las
condiciones de operación y lo que sucede en el interior del sólido durante el
secado.
Curva de velocidad de secado
Para estudiar el mecanismo de secado en condiciones constantes, es
conveniente representar la velocidad instantánea de secado en función de la
humedad libre instantánea, como lo indica la figura 1
112
Figura 1
Esta es una curva característica de secado que refleja el paso del sólido por
distintos períodos a medida que la humedad del sólido se reduce desde un
valor inicial elevado Xi hasta el pequeño valor final, que puede incluso ser la
humedad de equilibrio Xe.
Periodos de Secado.
Análisis
De la figura 1 en el periodo I la velocidad de secado aumenta o disminuye
rápidamente, desde un valor inicial. Su duración es relativamente corta y en
algunos experimentos no llega a observarse. En este periodo, se ajusta la
temperatura del material a las condiciones de secado.
La línea II representa el período de velocidad constante. Se caracteriza porque
la velocidad de secado es independiente de la humedad del sólido. Durante
este período del sólido está tan húmedo que existe una película de agua
contínua sobre toda la superficie de secado y el líquido se comporta como si el
sólido no existiera.
Si el sólido no es poroso, el líquido evaporado en este período es
esencialmente el que recubre la superficie del sólido. En un sólido poroso, la
mayor parte del líquido evaporado en el período de velocidad constante
proviene del interior del mismo.
La línea III representa el período de velocidad decreciente y humedad crítica. al
disminuir la humedad del sólido se alcanza un cierto valor para el cual termina
la velocidad constante y comienza a disminuir la velocidad de secado.
El punto en que termina el periodo de velocidad constante, representado por C,
en la misma figura, se llama Punto Crítico. Este punto marca el instante en que
113
el líquido que está sobre la superficie es insuficiente para mantener una
película contínua que cubra toda el área de secado.
Para sólidos no porosos, el punto crítico aparece aproximadamente, cuando se
evapora la humedad superficial; en cambio para sólidos porosos el punto crítico
se alcanza cuando la velocidad de flujo de la humedad hacia la superficie no es
capaz de igualar la velocidad de evaporación. Al valor de la humedad y de la
velocidad que determina el punto C se les llama "Críticos", Xc, Wc.
Si la humedad inicial del sólido es inferior a la humedad crítica, no aparece el
periodo de velocidad constante.
La humedad crítica varía con el espesor del material y con la velocidad de
secado y por consiguiente, no es una propiedad del material.
El periodo que sigue al punto crítico se llama velocidad decreciente. Es
evidente que la forma de la curva de velocidad de secado varía con el tipo de
material, el espesor y las variables presión y temperatura.
Cálculo del tiempo de secado
El peso del material a secar puede medirse en función del tiempo, en
condiciones de presión y temperatura constantes. A partir de esos datos se
obtiene la gráfica siguiente figura 2:
En los cálculos de secado debe tomarse en consideración las secciones
mayores de la curva anterior, ya que los factores de control difieren junto con
las diferentes porciones de la curva.
114
La velocidad de secado se define como:
(1)
La ecuación puede arreglarse para obtener el tiempo de secado y queda:
(2)
Integrando
(3)
Donde:
Xi = humedad inicial.
Xf = humedad final.
Como se puede observar. en la figura 1 hay un periodo en que la velocidad de
secado W es constante, siendo el mismo periodo que el de la figura 2, en que dX/dθ es constante.
Si el sólido se seca durante este periodo, Xi y Xf son mayores que Xc,
entonces W= constante y el valor que le corresponde es el de la velocidad
crítica Wc, por lo que al integrar la ecuación 3 se tiene:
(4)
Tiempo de secado en periodo de velocidad decreciente Si Xf es menor que Xc
el secado se efectúa a velocidad variable, por lo que la ecuación 3 se puede
resolver de la siguiente forma:
a) Caso general. La ecuación 3 se integra gráficamente a fin de determinar el
área bajo la curva con 1 / W como ordenada y X como abscisa, datos que se
pueden obtener a partir de la figura 1.
115
b) Para el caso en que W varía linealmente con X, se toma la ecuación de una
recta.
Donde: m = pendiente de la porción lineal de la curva.
b = constante
pero
y
Secador Rotatorio
Los secadores rotatorios son muy usados para el secado de materiales
granulados o polvos, ya que sus ventajas son mayores si los comparamos con
otro tipo de secadores, en lo referente al costo de operación, versatilidad y
facilidad de manejo.
116
El secador consiste de un tambor que gira sobre su eje central por el que
circula el material a secar. Por el interior del tambor se introduce una corriente
de aire caliente que será simultáneamente el medio de transmisión de calor y
vehículo para el transporte de humedad.
Existen algunos tipos, en los cuales el calentamiento se provee por medio de
una camisa exterior al tambor, por la cual se hace circular el vapor o algún otro
medio de calentamiento. Estos últimos secadores favorecen el
sobrecalentamiento que puede afectar al material a secar, si éste no es estable
a temperaturas mayores que la del secado.
Por el interior del tambor puede hacerse circular aire o gases de combustión ya
sea en paralelo o a contracorriente con el flujo del material que se quiere secar.
El sólido se transporta de un extremo a otro del tambor mediante un pequeño
desnivel del cilindro que desplaza al producto por deslizamiento sobre la
superficie interior del tambor.
Los secadores también están provistos de unas aletas interiores que levantan
el material y lo dejan caer por gravedad al girar el tambor. Parte del material,
los finos, son arrastrados por la corriente de aire de la que se eliminan
mediante un separador ciclónico que se encuentra a la salida del aire.
Las variables que afectan al secado en un secador de este tipo son:
temperatura; humedad y velocidad del aire; permanencia del material dentro
del secador, que dependerá de la rapidez de giro del cilindro y de la inclinación
del mismo; número de aletas que tenga el tambor y de las características
particulares del material a secar, tamaño, porosidad, densidad, etc.
En los secadores rotatorios, el secado se lleva a cabo en el período a velocidad
constante y la temperatura de secado es la temperatura de saturación
adiabática del aire entrante. En el sistema que se usa en la práctica, aire-agua,
esta temperatura es la de bulbo húmedo.
Con el objeto de facilitar su estudio, los secadores rotatorios se dividen en tres
etapas. En la primera, el sólido se calienta hasta la temperatura de bulbo
húmedo.
117
No hay secado, sólo precalentamiento.
En la segunda etapa se evapora toda la humedad de los sólidos a una
temperatura constante igual a la del bulbo húmedo del aire entrante.
En la tercera etapa se recalientan los sólidos, dicha etapa puede existir o no.
118
119
Correlaciones
Si no se cuenta con un secador para efectuar la experimentación, el cálculo del
coeficiente volumétrico se puede efectuar utilizando la correlación de Friedman
y Marshall. Chem. Eng. Prog. 45(8) 482 (1949).
120
MOLINOS
Un molino (también conocido como Molino de viento) es un artefacto o máquina
que sirve para moler. Por extensión el término molino se aplica vulgarmente a
los mecanismos que utilizan la fuerza de viento, agua, animal o humana para
mover otros artefactos, tales como una bomba hidráulica o un generador
eléctrico.
El Molino es una máquina que transforma el viento en energía aprovechable.
Esta energía proviene de la acción de la fuerza del viento sobre unas aspas
oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos
de maquinaria para moler grano, bombear agua o generar electricidad. Cuando
el eje se conecta a una carga, como una bomba, recibe el nombre de molino de
viento. Si se usa para producir electricidad se le denomina generador de
turbina de viento o aerogenerador.
La rueda hidráulica dio lugar al molino harinero activado por energía hidráulica
Pero surge a la par la necesidad de aprovechar otra de las fuentes de la
naturaleza, la energía eólica. El primer molino de viento fue ideado por Herón
(c. 20-62 d.C.) y servía para mover los fuelles de un órgano.
Los persas, a partir del siglo VII, ya poseían molinos para riego y molienda,
formados por alas montadas sobre un palo vertical, cuyo extremo inferior movía
una molienda. Estos molinos se difundieron por los países árabes y fueron
llevados a Europa por los cruzados (aunque otros investigadores opinan que
fueron los mismos árabes quienes los introdujeron en Europa). Se cree que
alrededor del S. XI Inglaterra había adoptado este invento, y en los Países
Bajos, un molino se supone que data del 1197. Entre los siglos XI y XIII se
difundieron por Europa. El ejemplar que ha llegado a conocerse era de un
molino, en que todo el cuerpo giraba alrededor de un eje vertical montado
sobre troncos de encina, apoyados sobre una base de ladrillos.
Eran estructuras de madera ( torres de molino), que se hacían girar a mano
alrededor de un poste central para levantar sus aspas al viento.
El molino de torre se desarrolló en Francia a lo largo del siglo XIV. Consistía en
una torre de piedra coronada por una estructura rotativa de madera que
soportaba el eje del molino y la maquinaria superior del mismo. Más adelante,
todo el edificio se construyó de ladrillos.
Generalmente de la parte superior sobresalía un eje horizontal. De este eje
partían de cuatro a ocho aspas, con una longitud de entre 3 y 9 metros. Las
vigas de madera se cubrían con telas o planchas de madera (En los primeros
se usaron velas de barcos). La energía generada por el eje al girar, se
transmitía, a través de un sistema de engranajes, a la maquinaria ubicada en la
base de la estructura.
Holanda, país en el que predominan los vientos marinos de cierta intensidad,
fue el país europeo que contó con más molinos de viento, aunque en la España
del Quijote, ya había también numerosos molinos de viento (que el personaje
121
inolvidable imaginó gigantes), y en Inglaterra, a fines del siglo XIX existían
alrededor de 10.000.
Se los usaba para el riego y moler el grano, además de bombeo de agua en
tierras bajo el nivel del mar, aserraderos de madera, fábricas de papel,
prensado de semillas para la obtención de aceite, triturado de todo tipo de
materiales.
Y como curiosidad hay que citar aquí ciertos proyectos teóricos basados en el
molino, como el ascensor de energía eólica para elevar soldados sobre las
fortificaciones enemigas, de Kyeser, en 1405; y un carro automóvil accionado
por paletas de viento ideado en 1460 por Valturio. En Holanda fueron
empleados molinos de viento para desagotar las tierras costeras invadidas por
el mar.
Un gran adelanto en el molino, fue el agregado del abanico de aspas,
inventado en 1745, que giraban impulsadas por el viento. En 1772 se introdujo
el aspa con resortes, consistentes en cerraduras de madera que se controlan
de forma manual o automática, con el objeto de mantener una velocidad
constante en caso de vientos variables. Y otro avance fue el freno hidráulico
para detener el movimiento; y el uso de hélices aerodinámicas para aumentar
el rendimiento de los molinos en zonas con vientos débiles.
En la actualidad, no se utilizan los molinos harineros medievales, puesto que,
con la aparición de la máquina a vapor, y posteriormente otras máquinas
motrices y altamente tecnificadas, fueron disminuyendo y desapareciendo los
molinos de viento europeos pero sí es una escena cotidiana, el paisaje de las
llanuras con explotación agrícola-ganadera con sus molinos metálicos
orientados en la dirección del viento para la extracción de agua para los
bebederos de animales y riego
Molinos de viento
El molino de viento aprovecha la energía eólica por medio de grandes aspas o
paletas acopladas a un eje. Los tradicionales solían tener cuatro aspas en
forma de cruz, las que llegaban a medir unos 11,5 metros de largo, y estaban
compuestas de un esqueleto de madera recubierto por lona.
Las aspas se colocan en ángulo con respecto a la dirección de las corrientes
de viento naturales, pudiendo girar en círculo aun cuando se encuentren
perpendiculares a su fuente de energía. Algunas aspas eran directamente de
lona, que se embolsaba con el viento. Hay quienes piensan que la idea de los
molinos surgió observando las velas de los barcos.
En general las aspas, sobre todo las más modernas, tienen una ligera
concavidad en la cara que enfrenta al viento, la que facilita que sean
impulsadas por éste. Las aspas, al girar por efecto del viento, mueven un árbol
(barra, generalmente metálica) que transmite el movimiento a una rueda
maestra dentada, cuyos dientes se engranan con otra rueda más pequeña
llamada linterna, que gira en forma horizontal, arrastrando un grueso eje
122
metálico cuadrado, que mueve una muela (volandera) aplastando el grano
contra otra muela fija (solera).
Un procedimiento parecido, con transmisión de movimiento por un eje, se
emplea para bombear el agua. La dificultad que presenta la utilización de los
molinos de viento es la dirección variable de las corrientes, que hace necesario
reorientar las aspas cada vez que cambia el viento.
Los antiguos molinos fueron reemplazados con el avance de la técnica por
máquinas accionadas a combustibles tradicionales o electricidad. Sin embargo
los molinos siguen utilizándose, en reemplazo de los combustibles
convencionales en dos aplicaciones básicas:
•
•
Generación de electricidad
Bombeo de agua
Con el actual nivel de desarrollo de tecnologías disponibles en el mundo el
abastecimiento de energía eléctrica es una necesidad fundamental. La
electricidad generada a partir del viento es una opción válida para grandes
consumos energéticos. Esto ha quedado demostrado en países como España
que cada vez implementa más parques de aerogeneradores.
El molino de viento utilizado para el bombeo de agua, si bien es menos usado
que en otras épocas, actualmente los modernos molinos disponibles en el
mercado desarrollados especialmente para esta aplicación, ofrecen una
solución inmejorable para su utilización en zonas rurales. 3.5. Modernos
molinos de viento Los molinos más modernos se han ido construyendo de
metal liviano (algunos son de chapa de acero galvanizada), o con las aspas
123
formadas con listones de madera que pueden abrirse con los bordes al viento.
Las grandes aspas se han ido reemplazando por un número mayor de paletas
dispuestas en forma de rueda, y el árbol, en que están montadas posee una
cola de orientación, siendo ubicadas de modo que puedan girar a una
velocidad 2,5 veces superior a la del viento.
Los modernos molinos de viento se mueven por dos procedimientos: el
arrastre, en el que el viento empuja las aspas, y la elevación, en el que las
aspas se mueven de un modo parecido a las alas de un avión a través de una
corriente de aire. Las molinos que funcionan por elevación giran a más
velocidad y son, por su diseño, más eficaces.
Los elementos básicos componentes del molino son el rotor, los mecanismos
de control y orientación y la estructura de soporte.
Los molinos más modernos se han ido construyendo de metal liviano (algunos
son de chapa de acero galvanizada), o con las aspas formadas con listones de
madera que pueden abrirse con los bordes al viento. Las grandes aspas se han
ido reemplazando por un número mayor de paletas dispuestas en forma de
rueda, y el árbol, en que están montadas posee una cola de orientación, siendo
ubicadas de modo que puedan girar a una velocidad 2,5 veces superior a la del
viento.
Los modernos molinos de viento se mueven por dos procedimientos: el
arrastre, en el que el viento empuja las aspas, y la elevación, en el que las
aspas se mueven de un modo parecido a las alas de un avión a través de una
corriente de aire. Las molinos que funcionan por elevación giran a más
velocidad y son, por su diseño, más eficaces.
Los elementos básicos componentes del molino son el rotor, los mecanismos
de control y orientación y la estructura de soporte.
Características de los molinos de viento
Rotor y mecanismos de control y orientación
El rotor es el aparato exterior del molino de viento, cuya función es
transformar la energía eólica, en un movimiento rotatorio, compuesto de
elementos denominados aspas, palas o hélices.
124
Las palas se construyen generalmente para los molinos convencionales
en chapa metálica, pero en modelos de tamaño elevado se utilizan
preferentemente resinas plásticas y fibras sintéticas, de bajo peso, de
formas aerodinámicas, gran resistencia mecánica y a los agentes
climáticos.
El rotor es la pieza fundamental en la captación de la energía eólica
siendo uno de los problemas fundamentales de su diseño, la prevención
de la acción de los fuertes vientos. Por ello se han desarrollado diversos
modelos que permiten proteger los rotores, como por ejemplo variación
de la inclinación de las aspas, giro del rotor de modo de disminuir la
intensidad máxima del viento, y especialmente la utilización de frenos
generalmente de disco, que accionan automáticamente cuando la
velocidad del rotor es muy elevada.
De esa manera se tiende a evitar y prevenir esfuerzos excesivos, altas
vibraciones e incluso la rotura, como resultado de los vientos muy
intensos. Además las palas deben ser adecuadamente calibradas a fin
de evitar ruidos y vibraciones que pueden afectar la estructura de
soporte.
Según la posición del eje, los rotores pueden clasificarse en rotores de
eje horizontal, donde el eje principal están paral elo al suelo y en
rotores de eje vertical, con el eje perpendicular al suelo.
Rotores de eje horizontal
Los rotores de eje horizontal se clasifican según su emplazamiento en:
1.- Rotor a sotavento: Los rotores a sotavento son aquellos en que el
viento actúa desde atrás. Estos rotores tienen la ventaja de la auto
orientación, debido al efecto que provoca el cono que describen las
palas al rotar.
125
Así se utilizan aeroturbinas con sistemas aerodinámicos muy estudiados
y precisos, con pequeño número de palas, en la que se pueden lograr
altas velocidades de giro.
2.- Rotor a barlovento: Los rotores a barlovento son los que reciben el
viento de frente y necesitan un sistema independiente de orientación. Si
el molino es de reducidas dimensiones basta una cola que actúa como
veleta la que se desplaza impulsada por la dirección del viento. Dicha
veleta es una pieza de metal de forma aerodinámica, que se coloca junto
al rotor, de modo de orientarlo contra el viento incidente, mediante el giro
sobre un eje vertical.
En los molinos de mayores dimensiones, se utilizan hélices auxiliares
perpendiculares a la principal, que mueve el conjunto cuando varía la
dirección del viento.
En grandes molinos se acoplan servomecanismos controlados por
microprocesadores que orientan el rotor en función de los datos
registrados por una pequeña veleta sensora.
Rotores de eje vertical
En la figura se muestra un rotor de eje vertical consistente en dos palas
curvadas longitudinalmente, que constituye un modelo entre la infinidad
que se fabrican.
En general la velocidad de giro de estos rotores es menor que los de eje
horizontal, requiriéndose entonces sistemas de engranaje de mayor
multiplicación para aumentar la misma.
Sin embargo, tienen la ventaja de que no necesitan dispositivos de
orientación en función de la dirección del viento, por lo que se simplifica
su construcción.
Entre las máquinas de eje vertical más usuales destacan las Savonius,
cuyo nombre proviene de sus diseñadores, y que se emplean sobre todo
para bombeo; y las Darrieus, una máquina de alta velocidad que se
asemeja a una batidora de huevos.
Rotor de eje vertical
Estructura de soporte
La estructura de soporte generalmente es metálica, debiendo diseñarse
especialmente para soportar la acción del viento más desfavorable,
siendo sustentada por bases de hormigón.
126
Deben contar con elementos de acceso para mantenimiento del rotor, de
los distintos elementos y de la propia estructura.
Es conveniente que las torres de montaje estén instalados por lo menos
a 6 metros por arriba de obstáculos en 100 mts. a la redonda para evitar
turbulencias. No se recomienda colocar generadores eólicos en los
techos, salvo los de pequeña potencia (hasta 500 watts). Los grandes
pueden causar serios daños al edificio.
Aplicaciones prácticas
Como se mencionó anteriormente los molinos de viento se utilizan en la
actualidad para el bombeo de agua, especialmente en zonas rurales, y
para la generación de electricidad.
Bombeo de agua
Una bombeadora de agua es un molino con un elevado momento
de torsión y de baja velocidad, se usan con mayor frecuencia en
las regiones rurales. Las bombeadoras de agua se emplean sobre
todo para drenar agua del subsuelo. Estas máquinas se valen de
una pieza rotatoria, cuyo diámetro suele oscilar entre 2 y 5 m, con
varias aspas oblicuas que parten de un eje horizontal. La pieza
rotatoria se instala sobre una torre lo bastante alta como para
alcanzar el viento. Una larga veleta en forma de timón dirige la
rueda hacia el viento. La rueda hace girar los engranajes que
activan una bomba de pistón. Cuando los vientos soplan en
exceso, unos mecanismos de seguridad detienen de forma
automática la pieza rotatoria para evitar daños en el mecanismo.
Para el bombeo de agua mediante la energía eólica, pueden
emplearse dos formas básicas:
• Bombeo mecánico
• Bombeo eléctrico
Bombeo mecánico del agua
Una de las formas para el bombeo del agua en forma mecánica,
consiste en la utilización de una bomba a pistón, que provoca la
aspiración en la tubería sumergida y la expulsión hacia un
depósito de acumulación, tal como se muestra en forma
esquemática en la figura.
127
Es necesario para lograr este objetivo, conectar la bomba a un
dispositivo o engranaje diseñado especialmente.
En general es preferible que el bombeo se efectúe en forma lenta,
a fin de reducir al mínimo la resistencia a la circulación del agua
por las cañerías.
Por ello en la aplicación mecánica de los sistemas eólicos para
bombear el agua, no se requiere una velocidad de giro del rotor
elevada, debiendo contar, sin embargo, con un alto par de
arranque, para vencer la inercia del equipo.
Los molinos tipo multipalas convencionales, cumplen con
estas condiciones contando con un alto par de arranque
Como elemento referencial se consigna en el cuadro
siguiente la capacidad de un molino de viento para
elevación del agua a distintas alturas, considerando un
viento tipo de 26 km por hora.
CAPACIDAD DE MOLINOS DE VIENTO PARA ELEVACIÓN DE AGUA
Veloc.
Diámetro
Revoluc.
Viento
(m)
por min.
(km /h)
2,6
26
45
3
26
40
3,6
26
35
4,3
26
30
4,9
26
25
5,5
26
23
6,1
26
21
7,6
26
17
l/min.
m
7,5
23
72
128
171
245
370
473
804
de agua elevados a una altura de
15
11
36
68
85
120
197
241
405
22,5
...
25
45
60
74
123
154
271
30
...
18
32
43
61
92
118
188
45
...
...
22
30
37
66
73
141
60
...
...
19
31
46
60
101
128
Bombeo eléctrico del agua
Para el bombeo del agua se emplea una bomba eléctrica, cuyo
motor se conecta a los terminales del generador eólico o a los
polos de la batería acumuladora en caso de utilizarse.
Generación de electricidad Los generadores de turbina de
viento tienen varios componentes. El rotor convierte la fuerza del
viento en energía rotatoria del eje, una caja de engranajes
aumenta la velocidad y un generador transforma la energía del eje
en energía eléctrica. En algunas máquinas de eje horizontal la
velocidad de las aspas puede ajustarse y regularse durante su
funcionamiento normal, así como cerrarse en caso de viento
excesivo. Otras emplean un freno aerodinámico que con vientos
fuertes reduce automáticamente la energía producida.
En la parte superior se instala junto al rotor una caja especial de
metal o fibra de vidrio, en la cual se colocan los elementos de
seguridad y control, el sistema de regulación de la cola o veleta, la
caja de velocidades y el generador propiamente dicho, montado
sobre un sistema giratorio.
Partes principales de un generador eólico
La unidad de control debe asegurar una óptima utilización de la potencia
del viento sea cual fuere su velocidad, a fin de evitar sobrecargas. Así, la
unidad de control comanda por medio de impulsos el sistema de
maniobra, por ejemplo mediante un sistema hidráulico, que regula la
orientación del rotor, cuando se alcanza la potencia máxima del
generador.
Las máquinas modernas comienzan a funcionar cuando el viento
alcanza una velocidad de unos 19 km/h, logran su máximo rendimiento
con vientos entre 40 y 48 km/h y dejan de funcionar cuando los vientos
alcanzan los 100 km/h. Los lugares ideales para la instalación de los
generadores de turbinas son aquellos en los que el promedio anual de la
velocidad del viento es de cuando menos 21 km/h.
129
Potencia eléctrica
La potencia de un aerogenerador depende de:
§ Velocidad de giro y longitud de las palas del rotor
§ Dimensión de las bobinas del generador
El número de palas del rotor no influye en la potencia suministrada.
Debido al costo de las bobinas para aumentar la potencia eléctrica
obtenida conviene incrementar la velocidad del giro para lo cual se
emplea una caja de velocidades, cuya función es la de multiplicar la
velocidad de rotación del rotor para llevarla a valores adecuados al
funcionamiento del generador.
Para lograr la potencia mecánica necesaria es conveniente aumentar la
longitud de las palas, pero ello debe limitarse, dado que recurrir a rotores
de grandes dimensiones implica originar problemas de sustentación y
aumentos de costos de fabricación.
La molienda es un proceso que persigue extraer jugos de diversos
productos de la tierra como la caña de azúcar o la uva.
El término molienda es de uso común, se refiere a la pulverización y a la
dispersión del material sólido. Pueden ser granos de cereal, uva,
aceitunas, etc. en productos de alimentación. Aunque también pueden
ser piedras o cualquier otro material sólido.
El molino de barras, tiene en su interior barras de acero que cuando el
molino gira, caen sobre el material y quiebra las piedras.
La molienda convencional se realiza en dos etapas, utilizando molino de
barras y molino de bolas, respectivamente, aunque en las plantas
modernas sólo se utiliza el segundo. En ambos molinos el mineral se
mezcla con agua para lograr una molienda homogénea y eficiente. La
pulpa obtenida en la molienda es llevada a la etapa siguiente que es la
flotación.
Molienda de barras
Este equipo tiene en su interior barras de acero de 3,5 pulgadas de
diámetro que son los elementos de molienda. El molino gira con el
material proveniente del chancador terciario, que llega continuamente
por una correa transportadora. El material se va moliendo por la acción
del movimiento de las barras que se encuentran libres y que caen sobre
el mineral. El mineral molido continúa el proceso, pasando en línea al
molino
de
bolas.
Las bolas de acero que tiene el molino de bolas, caen sobre las rocas
cuando el molino gira, reduciendo aún más su tamaño.
130
Molino de bolas
Este molino, cuyas dimensiones son 16 x 24 pies (es decir, 4,9 m de
diámetro por 7,3 m de ancho), está ocupado en un 35% de su capacidad
por bolas de acero de 3,5 pulgadas de diámetro, las cuales son los
elementos de molienda. En un proceso de aproximadamente 20 minutos,
el 80% del mineral es reducido a un tamaño máximo de 180 micrones.
TRANSPORTE DE SÓLIDOS.
La selección de los equipos de transporte se realiza una vez que se ha definido
el proyecto. Para ello se debe tener en cuenta el plan a ejecutar, que consiste
en una evaluación técnica y económica completa.
Los aspectos más relevantes para la realización de una correcta selección de
equipos de transporte.
El transporte puede clasificarse según el tipo de sustancia a transportar de la
siguiente forma:
TRANSPORTE
De sólidos
De líquidos
De gases
131
En función del espacio físico donde se desarrolla el mismo se puede clasificar
en:
Externo
TRANSPORTE
Interno
Transporte Externo
Si bien en este capítulo no se profundizará este tema, resulta necesario
señalar que el transporte externo resulta vital para la determinación de la
localización de una planta industrial, como consecuencia de un gasto
excesivo en el transporte de los insumos o de un alto costo del
transporte de los productos hasta los mercados respectivos.
En toda la planta industrial resulta necesario hacer llegar materias
primas, combustibles y otros materiales y sacar productos y desechos;
por lo que para ello resulta imprescindible elegir el medio de transporte
más adecuado.
En general estos transportes son periódicos y no continuos, a excepción
del transporte de gases o líquidos por tuberías (que habitualmente se
realiza en plantas petroquímicas).
De los medios de transporte existentes, en términos generales se debe
señalar que el automotor resulta como el técnico y económicamente más
adecuado para realizar transportes de pequeños volúmenes, a cortas y
medianas distancias; mientras que el ferroviario y la navegación fluvial o
marítima resultan convenientes para la movilización de grandes
volúmenes (transportes masivos) a larga y media distancia.
Para tener una idea de la elección del medio más idóneo, en la Figura Nº
1 se reflejan los costos de los distintos medios en función del volumen
de cargas a movilizar. No obstante, en cada caso en particular una
empresa industrial deberá investigar el medio de transporte a utilizar, en
función de las tarifas de cada medio (más los gastos terminales que
correspondan), pues frecuente que las mismas no reflejan los reales
costos del medio.
132
Transporte Interno
El transporte interno de una planta industrial debe ser analizado
cuidadosamente, ya que el mismo resulta significativo en el costo final
del producto. Algunos autores estiman que puede alcanzar a un valor de
hasta el 40 % del costo total del producto fabricado. Naturalmente, en los
distintos tipos de plantas industriales, según las características de las
mismas y el proceso, el costo del transporte interno resultará más o
menos significativo.
Si analizamos el movimiento de los materiales en una industria
extractiva, tal como es la fábrica de cemento portland, se puede
asegurar que por cada 1000 toneladas/día de producción, se movilizan,
aproximadamente, 15000 toneladas/día de diversos materiales.
ORGANIZACIÓN DEL TRANSPORTE INTERNO
Para organizar el transporte interno de una planta industrial es
necesario considerar aspectos técnicos y económicos, que serán
los determinantes en la elección de equipo de transporte a utilizar.
Los aspectos técnicos son:
•
•
•
•
•
•
•
·Las características (naturaleza) del material a transportar,
tales como tamaño, peso especifico, dureza, abrasividad,
humedad, temperatura, etc.
·Distancia y dirección del transporte (vertical, horizontal,
oblicua)
·Cantidad horaria a transportar
Forma de almacenamiento de los materiales
·Lugar donde se realiza el transporte (abierto o cerrado)
Seguridad de operarios (de la planta en general y que
atienden el equipo de transporte en particular)
Forma y lugar de carga y de descarga del equipo de
transporte
Los aspectos económicos son:
•
•
•
•
La amortización del equipo de transporte (incluyendo su
instalación)
El consumo energético del equipo
Los gastos de alistamiento y mantenimiento del equipo
Los gastos de operación del equipo
Una metodología sencilla para analizar el transporte en planta está dada por la
formulación de las
clásicas preguntas: ¿Por qué? , ¿Qué? , ¿Cuánto? , ¿Dónde? , ¿Cómo? y
¿Quién?.
La pregunta ¿Por qué?, debe hacerse siempre con el objeto de saber si el
movimiento es imprescindible, en algunos casos, un cambio de proceso o una
133
renunciación de máquinas puede resultar más conveniente que efectuar el
transporte previsto.
Al formularnos la pregunta ¿Qué?, estamos investigando sobre las
características del material, tamaño, forma, estado, dureza o fragilidad, etc.
situación determinante para elegir el equipo de transporte más adecuado para
cada caso. Atiende un aspecto cualitativo del material a transportar.
¿Cuánto?, esta indicando la cantidad a transportar por unidad de tiempo y
permitirá optimizar el equipo y dimensión del mismo a seleccionar. Por
consiguiente atiende un problema cuantitativo del transporte a realizar.
La pregunta ¿Dónde?, apunta a establecer los lugares de carga y descarga del
material y el recorrido a seguir, así también como el lugar en el que se
efectuará el transporte.
¿Cómo? se formula con el objeto de establecer la necesidad o no de equipos y
en este ultimo caso, la determinación del más adecuado desde el punto de
vista técnica y económico.
El ¿Quién? está analizando el (o los) operario(s) requerido(s) para operar el
equipo de transporte.
Maquinas de Transporte
La necesidad de efectuar, en plantas industriales el transporte de grandes
volúmenes de materiales, en forma segura y rápida originó la aparición de
diversos tipos de máquinas que permiten asegurar el movimiento de los
distintos materiales en forma horizontal, vertical y oblicua.
En la actualidad se estima que el número de máquinas de transporte de
distintos tipos que se ofrecen en el mercado supera los 500. En este curso se
citarán sólo aquellas que se consideran más usuales y se desarrollarán los
cálculos correspondientes a las de más importante aplicación en las industrias
extractivas.
Las máquinas a considerar las clasificaremos en máquinas motrices portátiles e
instalaciones fijas para el transporte de sólidos. Las primeras de ellas son
máquinas que se desplazan por la acción de un motor, mientras que las
segundas son máquinas en las que el desplazamiento es del material entre
puntos determinados.
134
Transportadores por Gravedad
En estos transportadores, los materiales se mueven por efecto de la gravedad.
Una regla a tener en cuenta en cualquier planta industrial es que siempre que
sea posible debe de utilizarse este efecto, para el movimiento de los
materiales, con el objeto de economizar energía. Generalmente estos
transportadores son utilizados para alimentación de máquinas con materiales
secos en trozos o pulverulentos.
Planos Inclinados
Básicamente consisten en planos inclinados (con bordes), con ángulos
mayores de 45 grados. Estos pueden ser rectos o en espiral.
Canaletas Vibratorias
Están compuestas por una especie de canaleta que cuenta con un
vibrador magnético, que ayuda a mover el material hasta el borde, y
luego cae por gravedad.
Transportadores Mecánicos
Transportado de Tornillo (de Rosca o Sin Fin)
El transportador de rosca consiste en un eje de acero, sobre el
cual se desarrolla una espiral, que gira dentro de un canal. El eje
es propulsado por un motor y el acople se produce a través de
engranajes o cadenas.
135
Este transportador se utiliza para el movimiento de materiales
abrasivos y no abrasivos, en horizontal y oblicuo con pendiente
que no supere los 30º.
Puede transportar cereales, carbón, arena, piedra, clinker de
cemento, etc; La longitud máxima de transporte no debe superar
los 30 metros, pues más allá de esa distancia los esfuerzos de
torsión que se producen son muy elevados. El diámetro máximo a
utilizar es de 0,60 metros.
Este tipo de transporte se utiliza principalmente para movilización
de granos en silos de campaña y se los denomina “CHIMANGO”.
De la tabla se infiere que en la medida que el material es menos
abrasivo el transportador admite una velocidad máxima mayor y
por consiguiente tiene una capacidad de transporte mayor.
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Transportador de Rasquetas (o Paletas)
El transportador de rasquetas consiste en un canal por el que se
desplazan paletas, cuya sección se ajusta a la del canal. El
material a transportar se ubica entre las paletas y con el
movimiento de éstas se va desplazando.
Las paletas se encuentran unidas a una o dos cadenas sin fin,
que se mueven como consecuencia de que en los extremos del
transportador cuentan con ruedas dentadas, de las cuales la (las)
de un extremo es (son) motora (s). Las paletas generalmente son
de acero y están dispuestas a distancias iguales a lo largo de la
cadena .
Las paletas suelen estar suspendidas apoyando los extremos de
las mismas con ruedas sobre rieles (Figura Nº 8) o calzas sobre
guías. La velocidad de las cadenas se encuentra entre 6 y 60
metros/min., aunque la más frecuente es de 30 metros/min.
Los transportadores de paletas se utilizan para transporte en
horizontal y oblicuo hasta un ángulo no mayor de 30 grados (en
algunos casos puede llegar hasta 45 grados); se usan para
transportar materiales en trozos no abrasivos, una aplicación muy
importante es la del transporte de granos (cereales) en
elevadores. No se deben aplicar al transporte de materiales
abrasivos (tales como piedras partidas y clinker de cemento), por
el gran desgaste que se produce en el equipo.
Las expresiones que dan la capacidad máxima de transporte y la
potencia consumida son las siguientes:
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A: Ancho de las rasquetas (en cm)
h: Altura de las rasquetas (en cm)
V: Velocidad del transportador (en metros/min)
d: Peso especifico aparente del material transportado (kg/m3 )
L: Longitud del transportador entre ejes de ruedas dentadas (en
metros)
W: Peso total de las paletas y cadenas por metro de distancia
entre centro de ruedas dentadas en kg/m
a: Constante que depende del material (abrasividad) y la
inclinación del transporte.
A mayor abrasividad e inclinación del transporte mayor valor
b: Constante para el transportador, es función del tipo de apoyo
de las paletas e inclinación de transporte
Transportador Redler
El transportador Redler es similar al de paletas, la diferencia
estriba en que la sección de la paleta no es igual a la del canal,
sino que cubre solo una parte de la misma.
En la Figura se puede observar el transportador y diversos tipos
de perfiles de paletas.
Este transportador es especialmente indicado para el transporte
de materiales sueltos, secos y abrasivos, tales como cemento,
harina, arena, clinker, carbón, etc.
El movimiento del material se produce por el arrastre de los
perfiles que se mueven sobre las partículas y la fricción de estas
entre si.
Se aplican a transporte en horizontal, vertical o con cualquier
ángulo. Cuanto mayor sea la inclinación de transporte se
requieren perfiles de mayor sección.
138
Cinta Transportadora
Consiste en una cinta sin fin con dos poleas, una de las cuales es
motora (polea de cabeza) y la otra es conducida (polea de cola).
Cuenta con rodillos locos debajo de la cinta (banda),
denominados de apoyo para los que se encuentran debajo de la
cinta cargada y rodillos de retorno para la cinta que regresa vacía.
Los rodillos de apoyo se encuentran espaciados entre 1 y 1,5
metros y los de retorno entre 1,5 t 3 metros. La polea motora es
accionada por un motor a través de un reductor de velocidad. La
velocidad de la cinta varia entre 30 y 120 metros/min.
Las cintas se estiran por el uso y para que trabajen correctamente
es necesario tensarlas, lo que se hace con diversos aparatos. En
la Figura se pueden observar dos formas de tensado de cinta de
uso común.
En la zona de carga del material a transportar suelen disponerse
rodillos de apoyo a menores distancias que las señaladas
anteriormente para absorber el peso del material que cae desde la
tolva.
A efectos de evitar desgastes excesivos de la cinta es necesario
tener en cuenta las siguientes recomendaciones:
a) Que el material a cargar entre en contacto con la cinta a su
misma velocidad e
igual dirección.
b) El centro de la tolva de carga debe coincidir con el eje de la
cinta
c) El material en trozos gruesos debe frenarse en la tolva
minimizando en lo posible
la altura de caída.
d) La tolva de carga no debe tocar la cinta (la distancia entre
ambas suele cubrirse con una pollera elástica.
139
Las cintas pueden ser de distintos materiales, tales como, tela,
cuero, goma, sintético y metal. Pueden utilizarse planas o
abarquilladas, en la Figura se esquematizan ambas formas. Los
anchos de cinta varían entre 35 y 150 cm.
Otro aspecto a destacar es la descarga de las cintas, existen
cuatro formas diferentes:
a) Que el material se descargue en el extremo de la cinta por
gravedad
b) Colocando sobre la superficie de la cinta, en el lugar de
descarga, un desviador
(rascador) a 35 o 45ª del eje de la
cinta.
c) Con un aparato denominado volteador (Carrito), que consiste
en un juego de rodillos que vuelcan totalmente la cinta y el
material que cae por gravedad se evacua por un plato inclinado
8este volteador es desplazable a lo largo de la cinta, para
variar el lugar de descarga).
d) Abarquillando la cinta hacia abajo.
La aplicación de este transportador es variada, se utiliza para
transporte de materiales en trozos (minerales, rocas, carbón,
clinker, etc.), cereales, bultos, etc.
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Transporta a grandes distancias en horizontal y oblicuo hasta un
ángulo de 25 grados como máximo, aunque la inclinación mayor
más frecuente alcanza solamente los 15 grados.
Estas instalaciones suelen ser costosas pero de bajo costo de
operación, consumo energético y mantenimiento.
En algunos casos que se transporta materiales muy finos, la cinta
una vez cargada se cierra mediante dos solapas, con un sistema
de cremallera, conformado por un tubo y evitando que los polvos
transportados polucionen el ambiente donde se desarrolla el
transporte.
La capacidad de la cinta transportadora es función del ancho y
velocidad de la cinta, la inclinación del transporte y las
características del material transportado.
La potencia requerida es función de la necesaria para moverla en
vacío, la requerida en horizontal y vertical para transportar y la
fricción en poleas.
Elevador de Cangilones
El elevador de cangilones consiste en una cadena (o cinta) sin fin
que en sus extremos cuentan con una rueda dentada (o polea). A
dicha cadena van unidos cangilones (baldes), a intervalos
uniformes. La rueda dentada superior es motora y la inferior es
conducida. El accionamiento de la rueda motora está dado por un
motor a través de un reductor de velocidad.
Los cangilones toman el material a transportar en la parte inferior,
con el balde que viene invertido, gira y asciende hasta la cabeza
superior donde lo descarga.
Es un transportador utilizado para elevar granos, carbón, cenizas,
cemento, minerales y rocas en trozos, etc. Efectúa transportes en
vertical y con inclinación superior a 45 grados. Es de frecuente
uso en elevadores de granos portuarios y silos de campaña y se
conocen con el nombre de “Norias”. Los elevadores de cangilones
tienen tres formas distintas de descarga que se utilizan según los
materiales a transportar. La descarga centrífuga, usada para
materiales livianos y secos (granos); la descarga continua, suele
utilizarse ya sea para el transporte de granos o en las dragas para
la elevación de arena húmeda y la descarga por gravedad, que se
utiliza para materiales pesados y pegajosos.
En la Figura se pueden observar los tres tipos de descarga. Cabe
señalar que la descarga centrífuga se practica con elevadores de
cinta y de cadena, la descarga continua, donde cada cangilón
descarga su material sobre la parte posterior del que lo precede,
se construye con una o dos cadenas, y la descarga por gravedad,
se practica con dos cadenas. La capacidad de transporte de un
141
elevador de cangilones y la potencia necesaria para este se
determinan con las siguientes expresiones:
142
CLASIFICADORES.
Un clasificador es un elemento que proporciona una clase etiquetada como
salida a partir de un conjunto de características tomadas como entradas. Una
manera de construir un clasificador es coger un conjunto de ejemplos
etiquetados y tratar de definir una regla que pueda asignar una etiqueta a
cualquier otro dato de entrada.
Tipos de clasificadores
Existen diferentes tipos de clasificadores:
Clasificador Bayesiano:
Un Clasificador bayesiano es un clasificador de patrones basado en teorías
estadísticas de aprendizaje. El aprendizaje bayesiano calcula la probabilidad de
cada hipótesis de los datos y realiza predicciones sobre estas bases. Es un
aprendizaje casi óptimo, pero requiere grandes cantidades de cálculo debido a
que el espacio de hipótesis es normalmente muy grande, o incluso puede ser
infinito.
Clasificador Parzen: Se trata de un clasificador basado en la estimación no
paramétrica, que a diferencia de la paramétrica, donde se obtiene la función de
densidad de probabilidad estimando los parámetros desconocidos de un
modelo conocido, no se conoce el modelo. Esta técnica consiste básicamente
en variaciones de la aproximación del histograma de una función de densidad
de probabilidad desconocida. Este algoritmo se utiliza en la la clasificación de
imágenes o para clasificar y aprender simultáneamente. El problema de este
clasificador es que tiene un tiempo de ejecución elevado.
Clasificador Backpropagation: En algunos problemas el uso de modelos
simples de densidad paramétrica o el uso de modelos de histogramas no dan
los resultados deseados. En estos casos se buscan modelos de densidad más
sofisticados. Las redes neuronales son una técnica de aproximación
paramétrica útil para construir modelos de densidad. El modelo de red neuronal
habitual que utiliza este algoritmo consiste en una red con una capa de entrada
con tantos nodos como entradas tengan, una capa oculta con un número de
nodos variable que dependerá de las características del problema, y una capa
de salida con tantos nodos como posibles salidas tenga.
Clasificador con PCA
En este clasificador se utiliza el método PCA (Principal Component Analysis),
es una técnica que busca reducir el número de variables, transformando el
conjunto original de variables correlacionadas, tienen información en común, en
un conjunto de variables incorreladas, no tienen repetición o redundancia entre
ellas, llamado conjunto de componentes principales. Las nuevas variables son
combinaciones lineales de las anteriores.
Máquinas de vectores de soporte (Support vector machine)
Las Máquinas de vectores de soporte (SVM) son unas técnicas sencillas y de
gran aplicación cuando se pretende construir un clasificador utilizando
ejemplos. A diferencia de las redes neuronales que intentan construir un
modelo a posteriori, las SVM’s tratan de obtener la frontera de decisión. Una de
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sus ventajas es su facilidad ya que únicamente hay que codificar la geometría
de la frontera.
Aplicaciones.
Las aplicaciones de los clasificadores son muy amplios. Su uso se extiende en
medicina (análisis de prueba de drogas, análisis de datos de resonancia
magnética), teléfonos móviles (descodificación de la señal, corrección de
errores), la visión por computador (reconocimiento facial, seguimiento de
objetivos), reconocimiento de voz, minería de datos (análisis de compras en
supermercados, análisis de clientes al por menor) entre otras áreas diferentes.
Un ejemplo es un clasificador que acepta datos de sueldos de una persona,
edad, estado civil, dirección e historial de crédito y clasifica a la persona como
aceptables o inaceptables para recibir una nueva tarjeta de crédito o préstamo.