jueves, 21 de diciembre de 2017

RENDIMIENTO VOLUMETRICO DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA

Rendimiento Volumétrico de un Motor.
Es la relación entre la masa de aire que entra realmente en el cilindro en cada ciclo y la que debería entrar para unas condiciones dadas.
Es decir sirve para indicar el llenado del cilindro conseguido y es por esto la eficacia del sistema de entrada y salida de los gases al cilindro.



Factores que influyen sobre el rendimiento volumétrico
  • La presión del aire
  • Los conductos de admisión y escape
  • Los tiempos de apertura y de cierre de las válvulas
La presión del aire
Esta depende de la presión atmosférica, por ej: Si un individuo sube colina arriba la presión disminuirá, por ende el llenado del cilindro se ve alterado y esto produce un lento acceso de aire al mismo.
También el calor que irradia el interior del cilindro puede ser un factor decisivo a la hora de llenarse o vaciarse de aire/gases del mismo. Al llenar de mezcla fresca al cilindro, esta tiende a calentarse (por las paredes del cilindro), por ende la misma pierde densidad. Cuando se vacía el cilindro con los gases inertes estos tienden a ceder calor a la mezcla nueva y ocupan un volumen a la hora del llenado de la mezcla, por ende resiste mas el llenado de la misma, porque se debe hacer mas presión o entrara menos mezcla.

Valores de la velocidad del aire y sus características

Se obtiene un mayor rendimiento volumétrico cuando la velocidad del aire es de 40-60 m/s. Ya que la mezcla no excede los valores mínimos, ni máximos entre la relación de aire y nafta en el caso de los motores OTTO; Además de que el cilindro obtiene un perfecto llenado del mismo, esto es a un determinado valor de RPM, se dice que es la velocidad media teóricamente calculado proporcionalmente por la cilindrada del motor.
La velocidad máxima que puede alcanzar el aire de la mezcla por lo general es de 65-75 m/s.


Los distintos tipos de rendimientos volumétricos a determinados factores influyentes
Cuando el motor funciona a  un alto régimen de vueltas, el rendimiento volumétrico tiende a decaer, ya que el tiempo de apertura y cerrado de las válvulas cada vez es menor; la presión del aire también se ve afectada por esto.
Cuando sucede esto y seguir al mismo régimen de vueltas, al porcentaje de nafta en la mezcla se la aumenta.
El rendimiento volumétrico tiende a caer porque el tiempo de apertura y cerrado, de los tiempos de admisión y escape son muy limitados; Esto produce que no se pueda llenar, ni vaciar bien el cilindro.

Los tiempos de apertura y de cierre de las válvulas
Esto tiene que ver con la diferencia de los tiempos de apertura y cierre, de los ciclos ideal y real.Ya que esto es muy importante a la hora de llenar y vaciar el cilindro.
En el ciclo ideal la apertura y cierre se hacen instantáneamente en los puntos muertos (PMS y PMI).
En el ciclo real las válvulas se abren y se cierran cuando el pistón esta en posición para llegar a los puntos muertos, pero no se abren en el momento justo cuando están en el PMS y PMI, sino que se abren antes o después, según en el tiempo que este.
En los tiempos de admisión y escape de las válvulas existe un retardo en la apertura y cierre de las mismas. Esto se hizo para un mejor, mas rapido llenado del cilindro y un mejor barrido de los gases quemados.


El adelantamiento en el tiempo de admisión, con respecto al PMS, esto sirve para ir llenado el cilindro y ganar tiempo en el llenado.
El retraso en el cierre del PMI sirve para usar la inercia el aire que se encuentra en movimiento dentro del conducto de admisión. Con esto se busca una mayor velocidad del aire durante el llenado del cilindro, cuando ya el pistón ha iniciado la carrera de compresión.
El adelantamiento durante el PMI, la apertura de las válvulas de escape tiene como objetivo disminuir la presión y la cantidad de gases quemados dentro del cilindro.
El retraso en el cierre del PMS sirve para que se pueda vaciar totalmente la cámara de combustión de los gases quemados.
El rendimiento volumétrico no se ve afectado por esto, sino que ayuda a un buen rendimiento.


Los conductos de admisión y escape
Esto es sumamente importante, ya que los conductos de de escape deben oponer la mínima resistencia al paso de los gases; Los conductos de admisión deben permitir la mayor entrada de mezcla.
El formato, longitud y el acabado superficial de los interiores de estos conductos son factores determinantes en la determinación de la resistencia al flujo de aire por dentro de ellos, además del tipo y condiciones del filtrado de aire elegido.
Tambien pueden influir las ondas de presión que se producen en el interior de los conductos por variación de velocidades del aire/gases.
Aumentando el diámetro de las válvulas se gana capacidad de llenado.Cuando se aumenta el diámetro de los múltiples, se puede tener un barrido mas rápido de los gases quemados.
Reduciendo los diámetros se lograría un lento vaciado del cilindro, ya que la salida del múltiple de escape sería muy chico para el caudal de los gases quemados; Lo mismo pasaría si le reducimos el diámetro a las válvulas, se tendría un lento llenado del cilindro, porque habría un espacio muy limitado, lo cual dificultaría la entrada de la mezcla.
 índice
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ENTRADAS RELACIONADAS:


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FUENTES:

M.J.D.

https://prezi.com/bugkv6ez8hfz/rendimiento-volumetrico/


sábado, 16 de diciembre de 2017

CAU-UNIDAD 3: CONTROL Y FUNCIONAMIENTO DE LOS DIVERSOS TIPOS DE CALDERAS. Parte 3

CAU-UNIDAD 3: CONTROL Y FUNCIONAMIENTO DE LOS DIVERSOS TIPOS DE CALDERAS. Parte 3

POTENCIA DE UNA CALDERA
Recordando lo estudiado en la Unidad N°1, el tamaño de una caldera es determinado por su "superficie de calefacción" que es aquella parte de la caldera que por un lado está en contacto con el agua y por el otro con el fuego y gases calientes, medida por el lado de los humos y se expresa en metros cuadrados

Muchas veces por costumbre se designa la potencia de una caldera en caballos de fuerza, lo cual es erróneo, pues una caldera no tiene fuerza motriz sino vapor, el que podría ser utilizado por una máquina que genere fuerza motriz. Según sea la máquina producirá mayor o menor potencia con la misma cantidad de vapor.

La potencia de una caldera se puede expresar en cantidad de vapor generado en una hora.

Desde luego, esto dependerá de la superficie total de calefacción. A mayor superficie de calefacción se tiene más vapor y, por lo tanto, mayor potencia. La potencia se mide normalmente en kilogramo de vapor producido en una hora por metro cuadrado de superficie de calefacción (KVH/m2). En la potencia de las calderas tiene influencia su diseño, construcción, instalación y manejo.

En la producción de vapor tiene importancia la clase de combustible utilizado. Es frecuente medir la potencia de una caldera, expresando el calor total transmitido por la superficie de calefacción en kilocalorías por hora (Kcal/Hr.).


RENDIMIENTO DE UNA CALDERA

Se llama rendimiento al porcentaje de calor contenido en el combustible que se traspasa al vapor generado por la caldera, al quemar dicho combustible.

También podría definirse el rendimiento diciendo que: "Es la relación entre la energía (calor) contenida en el vapor y el calor contenido en el combustible que se quema”.

En otras palabras:

Los factores que influyen en una caldera, considerando que un rendimiento de un 70% es el que se logra generalmente en la práctica, serían los siguientes:
a) Por combustión incompleta ...............................................9.80%
b) Por gases calientes de chimenea....................................14.00%
c) Por cenizas o escorias.......................................................2.85%
d) Por radiación y otras causas .............................................3.35%
e) Rendimiento de la caldera...............................................70.00%


CONDICIONES QUE INFLUYEN EN UN MEJOR RENDIMIENTO

•Mejorando la combustión y sistema de quemar el combustible, su efecto visible será menos hollín saliendo por la chimenea.
•Procurando que los gases que van a la chimenea fluctúen entre los 200 a 300 ºC para no afectar el tiraje ni tener pérdidas exageradas por los gases calientes.
•Disminuyendo las pérdidas por radiación. Esto se logra aislando la caldera y las cañerías conductoras de vapor o agua caliente con un buen aislante térmico.
•Utilizando economizadores y precalentadores de aire.
•Mantener la caldera y los conductos de humo siempre limpios.
•Haciendo buenos tratamientos al agua de alimentación para evitar incrustaciones.

COEFICIENTE DE EVAPORACION O VAPORIZACION
Es el vapor que se obtiene dividiendo la cantidad de kilos de vapor generados en una hora por el peso en kilos del combustible consumido en esa misma hora.
Esto nos indica el número de kilos de vapor que produce cada kilo de combustible quemado.
Este factor es importante para conocer la cantidad de combustible y la forma de trabajo o rendimiento de una planta generadora de vapor. O sea, cuanto mayor sea el rendimiento de una caldera y mejor sea la calidad del combustible y el sistema de combustión, mayor será la cantidad de vapor generado por el combustible, es decir, mayor será su coeficiente de evaporación.


CAPACIDAD DE EVAPORACIÓN DE LAS CALDERAS
La capacidad máxima de evaporación de las calderas automáticas de uso comercial, está predeterminada por diseño y por lo general está calculada por las espectativas de uso particular de cada establecimiento, economía de trabajo, la vida útil mas larga que se pueda obtener sin averías que impliquen la detención de la productividad  y el menor costo de mantenimiento posible.Como se estudió con anterioridad, la capacidad máxima de estas calderas será determinada por la capacidad máxima de caudal de agua de alimentación.
En los buques de guerra propulsados por vapor, se busca el mejor rendimiento posible de acuerdo al estado de alistamiento de la unidad ( franquía, crucero de guerra, combate), por lo que la cantidad de vapor que pueden producir las calderas varia, desde la cantidad obtenible con un quemador equipado con la pastilla más pequeña, hasta la cantidad obtenida empleando todas las calderas con todos los quemadores encendidos y equipados con las pastillas de mayor tamaño (máxima potencia en situación de combate). Los medios de que se dispone para lograr la variación necesaria del grado de combustión (kilogramo de combustible por metro 3 de volumen de horno) y poder cubrir tales demanda de vapor, son los siguientes

1_ tamaño de las pastillas empleadas
2_ N° de quemadores encendidos por caldera
3_ presión de combustible
4_ numero de calderas usadas
5_ numero y velocidad de ventiladores en uso

La capacidad de diseño o la cantidad de vapor que puede ser producida por una caldera de circulación natural, generalmente está limitada por falta de circulación, la cantidad del vapor, la capacidad de ventiladores, la disminución del rendimiento de la combustión y otros factores, como ser la resistencia de las envueltas. Las calderas navales la falta de circulación rara vez es el factor determinante.

La cantidad de quemadores instalados y el tamaño de las pastillas permitirán un grado de combustión de máximo rendimiento, con la máxima presión de combustible de diseño dentro de los límites de circulación

El aumento o disminución de la carga con un número determinado de calderas y con un tamaño determinado de pastillas, puede encararse de tres maneras a saber:
  • Aumentando o disminuyendo la presión de combustible a cada variación de la carga
  • Aumentando la cantidades quemadores en servicio
  • Cambiando las pastillas

QUEMADORES


Estudiaremos aquí  únicamente  los quemadores que se aplican a las calderas automáticas que podemos encontrar en nuestros Establecimientos Navales.

PARTES ESCENCIALES DE UN QUEMADOR


Bomba y circuito de combustible
La función de la bomba y el circuito de combustible es poner en la boquilla de pulverización el combustible en la cantidad y en el estado (presión y temperatura) requeridos por el quemador en cada instante.

Filtro
Retener cualquier tipo de impureza en estado sólido
Ser lo suficientemente robusto para resistir sin deformarse ni roturas las presiones de trabajo
Las pérdidas de carga del fluido al atravesar el filtro deben ser bajas
Ser fácilmente limpiable.

Bomba
La bomba comprime el combustible a la presión necesaria para producir su atomización a la salida de la boquilla. (7 a 14 kg/cm2 para el gasóleo C y 17 a 25 kg/cm2 para fuelóleos, siendo lo usual 12 kg/cm2 para el gasóleo y 22 kg/cm2 para el fuelóleo)
Son bombas volumétricas rotativas, normalmente de engranajes
Dan pequeños caudales y elevadas presiones, son de caudal constante

1. Cámara de aspiración; 2. Conexión de aspiración; 3. Conjunto engranajes; 4. Conexión retorno; 5.Conductos en presión; 6. Envío a boquilla; 7. Muelle regulación presión; 8. Racor de retorno; 9. Conducto de retenes; 10. Cámara de retenes; 11. Tapón de retorno; 12. Tapa de engranajes; 13. Toma para manómetro; 14. Pistón regulación presión; 15. Prisionero regulación presión; 16. Conducto lubrificación eje.


Boquilla de pulverización
El combustible sometido a una gran presión, es obligado a salir por un orifico pequeño después de haber recibido un movimiento de rotación.
El movimiento de rotación se origina, al obligar al combustible a pasar por una hélice antes de llegar al orificio de salida.
La fuerte caída de presión que experimenta el combustible al salir se transforma en un aumento de velocidad, que origina la atomización del combustible.
Parámetros a considerar en la selección:

o Forma del hogar
o Potencia térmica de la caldera
o Tipo de combustible


Marcado de las boquillas estándar
Detalla el caudal de la boquilla en USgal/hr, la forma y el ángulo de pulverización a 700 kPa (x 10-2 bar) con combustible de prueba de 3.4 mm2/s y 820 Kg/m3

kg/h. Capacidad del combustible en kilogramos por hora con una viscosidad de 4,4 cSt, un peso específico de 0,83 y una presión de atomización de 7 bar.
Usgal/h. Capacidad del combustible líquido en galones US por hora con una viscosidad de 3,4 cSt, un peso específico de 0,82 y una presión de 7 bar
l/h. Capacidad del combustible líquido en litros por hora con una viscosidad de 3,4 cSt, un peso específico de 0,82 y una presión de atomización de 7 bar.
60º. Angulo de rociado
S, H, B. Cono de salida
 Despiece de una boquilla atomizadora con aire de media/alta presión


Ángulo de pulverización
Existen seis ángulos de pulverización estandarizados

Cono de llama - Hueco, Semihueco y Lleno

Ventilador y circuito de aire
Forman el circuito de aire de combustión
Suministran la cantidad de aire necesaria para la combustión
Aseguran una cierta calidad de este aire, imprimiendo una velocidad y una turbulencia que favorezca la mezcla homogénea
Debe vencer la contrapresión del hogar
 


Distribución del aire
El cabezal de distribución de aire está formado, en general, por un estabilizador o deflector y por el cañón de llama, con ciertas posibilidades de movimiento relativo entre ellos.


Cabeza de combustión
Es el lugar donde el circuito de aire y de combustible aportan el aire y el combustible respectivamente y tiene lugar la llama.
Es importante:
  •  Los caudales que aportan
  •  El centrado del deflector de aire y la boquilla de pulverización
  •  La distancia entre la salida de la boquilla y el deflector.
 


Circuito de encendido
Se utiliza el encendido eléctrico por arco de chispa que salta entre dos electrodos. Los elementos del circuito son:
Transformador eléctrico
Electrodos
Porta electrodos


Transformador
El transformador se alimenta en baja como el resto del quemador y produce en el secundario entre 10.000 y 12.000 voltios con una intensidad del arco de 25 a 50 miliamperios.


Electrodos de encendido
Son varillas de níquel o acero inoxidable 18/8 de unos 2 mm de diámetro que se alojan en una envoltura de cerámica aislada de 12 a 14 mm de diámetro




Cada constructor da para sus quemadores unas distancias concretas que oscilan:
A entre 3 y 5 mm.
B entre 8 y 12 mm, según el ángulo de pulverización
C entre 1 y 5 mm
D que se da a veces entre 4 a 6 mm.


Elementos de seguridad y control
El funcionamiento del quemador y el gobierno automático del mismo y de cada uno de sus órganos se realiza a través del programador
Las funciones de gobierno del quemador son:
  • Alimentación del transformador de encendido que produce la chispa
  • Alimentación del motor eléctrico del quemador que acciona bomba y turbina.
  • Corte de alimentación de los electrodos si el encendido ha sido correcto
  • Detección de la marcha del quemador por orden del termostato de caldera, presostato o del termostato ambiente.
  • Vigilancia permanente del quemador cuando está funcionando



Los quemadores también se pueden clasificar de acuerdo al estado de agregación del combustible a utilizar, a saber:
  • Quemadores de combustibles líquidos
  • Quemadores de combustibles gaseosos
  • Quemadores de combustibles sólidos
Los tipos de quemadores que mas se utilizan en nuestra Armada son los dos primeros, por lo que haremos incapié en ellos.

QUEMADORES DE COMBUSTIBLES LIQUIDOS

Los combustibles líquidos deben ser vaporizados antes de ser quemados.

Algunos quemadores de baja capacidad (hasta 25 Kg de combustible/Hr.), denominados quemadores de vaporización, realizan esta acción en una sola etapa mediante calentamiento.

Sin embargo, todos los quemadores industriales de alta capacidad realizan la vaporización en dos etapas: atomización o separación de líquido en finas partículas y vaporización mediante calentamiento directo de las partículas.


Según el mecanismo o medio de atomización utilizado, los quemadores se clasifican en:

- Quemadores de atomización con aire a baja presión.

- Quemadores de atomización con aire o vapor a alta presión.

- Quemadores de atomización mecánica.

- Quemadores centrífugos o de copa rotatoria.


 Ejemplo de quemador de pulverización neumática a baja presión de mezcla
1. Alimentación de combustible.
2. Filtro de combustible.
3. Bomba de combustible.
4. Bypass de retorno de combustible
5. Válvula de regulación de presión, Primario. incorporada a la bomba de combustible.
6. Bomba dosificadora de combustible
7. Filtro de aire.
8. Compresor de aire primario.
9. Ventilador de aire secundario.
10. Transformador de encendido.
11. Conducto de inyección de aire
12. Caña de combustible.
13. Electrodos de encendido.
14. Boquilla pulverizadora.

Ejemplo de un quemador de pulverización mecánica
1 Alimentación de combustible
2 Filtro
3 Bomba
4 Retorno
5 Regulador de presión
6 Ventilador
7 Transformador
8 Electrodos de encendido
9 Distribución de aire
10 Cabeza de combustión
11 Boquilla de pulverización
7 Transformador
8 Electrodos de encendido


El combustible se impulsa a través de un eje hueco a una pieza troncocónica, llamada copa. Que gira a gran velocidad (3.000 a 4.000 r.p.m., normalmente), al alcanzar el extremo de la copa, tiende a disgregarse en diminutas partículas.


QUEMADORES DE COMBUSTIBLES GASEOSOS

Debido a la limpieza de los gases y a que el combustible ya está atomizado antes de entrar al quemador, el proceso de combustión no requiere una gran preparación previa.
Existen un gran número de tipos de quemadores para gases.
Existen quemadores específicos de aplicaciones industriales y domésticas (calderas murales)
De todos los combustibles es el que se quema con menor exceso de aire, lo que permite obtener mayores rendimientos
Por ser el combustible que más hidrógeno contiene por átomo de carbono y estar exento de otro tipo de impurezas, es el que menos contaminación atmosférica produce.
Son los que presentan menos dificultad en el proceso de combustión. Son más sencillos, ya que la mezcla con el aire se consigue fácilmente. Las partículas de gas que se mezclan íntimamente con el aire permiten una buena combustión con una mínima cantidad de aire.

Se clasifican según la zona donde se mezclan el aire y el combustible:

- Quemadores de premezcla: Mezclado antes del quemador

- Quemadores cerrados: Mezclado en el quemador.

- Quemadores abiertos: Mezclado mixto.

Sus capacidades cubren un rango muy amplio. Desde fracciones de kilogramos por hora (domésticos), hasta unos 1.500 Kg/Hr. (industriales y calderas grandes)

Quemador de premezcla con ventilador incorporado


Quemador atmosférico o abierto.


Los quemadores de mezcla previa son aquellos en que parte o la totalidad del aire necesario para la combustión completa, se mezcla con el gas a la entrada del quemador o inmediatamente antes de iniciarse la combustión.



La mezcla entre combustible y comburente se realiza en la descarga a la cámara de combustión, se tienen dos sistemas de combustión:
  • Cuando la mezcla se realiza en la cabeza del quemador, el gas vertido en la cámara de combustión tiene la composición correcta.
  • La mezcla se realiza al inicio de la combustión, el gas y el aire entran por separado a la combustión, no suele emplearse para generadores de calor.


La reacción de combustión es rápida.
La llama es corta y de elevada temperatura.

QUEMADORES DE COMBUSTIBLES SÓLIDOS


El carbón es una gran fuente de energía mundial y lo más probable es que continuará así por muchos años
El mayor problema de la combustión del carbón son las emisiones de gases peligrosos a la atmósfera: azufre y cenizas.
La calidad del carbón es una consideración importante a la hora de su combustión, debido a la amplia variedad de carbones que existen.
Cualquier carbón se puede quemar con éxito, sólo hay que seleccionar la tecnología adecuada.

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ENTRADAS RELACIONADAS

CAU-UNIDAD 3: CONTROL Y FUNCIONAMIENTO DE LOS DIVERSOS TIPOS DE CALDERAS. Parte 1

CAU-UNIDAD 3: CONTROL Y FUNCIONAMIENTO DE LOS DIVERSOS TIPOS DE CALDERAS. Parte 2

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https://drive.google.com/open?id=0B1rlCioRveAHa2EzX090aFpyNXc

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FUENTES:

M.J.D.

MAQ 303 CALDERAS NAVALES CAPITULO 9 Accesorios de calderas.
Pedro Abarca Bahamondes - Walter Dümmer Oswald “Potencia y Rendimiento de la Caldera”


Directorio de la Proveedores Industriales de la República Mexicana   https://www.dirind.com/dim/monografia.php



ESCUELA DE TÉCNICAS Y TÁCTICAS NAVALES - Apuntes


miércoles, 29 de noviembre de 2017

Principios de sellos mecánicos

PRINCIPIOS DE SELLOS MECANICOS ROTATIVOS

SELLOS MECANICOS ROTATIVOS LUBRICADOS CON LIQUIDO Y SELLOS MECANICOS LUBRICADOS CON GAS
Como se mencionó, un sello mecánico consiste esencialmente de una restricción axial donde se reduce la presión del fluido a ser sellado (generalmente hasta la presión atmosférica) a través de la separación de sellado.
Se distingue entre sellos mecánicos lubricados con líquido y sellos mecánicos lubricados con  gas de acuerdo al estado físico del fluido a ser sellado.
La separación de sellado se establece entre dos superficies anulares de rozamiento, las cuales están alrededor y perpendiculares al rotor las cuales están completamente juntas o bien ligeramente separadas una de otra por la película del fluido líquido o gaseoso a sellar.


ESTRUCTURA BASICA Y FORMA DE OPERACION

Componentes.
La figura 5 muestra un sello mecánico rotativo sencillo donde se muestran los elementos más importantes de un sello.

La cara y el asiento son los elementos más importantes ya que en ellos están las superficies de rozamiento.
En la ilustración la cara esta fija al rotor y el asiento está fijo a la carcasa del equipo.

Elementos de empuje.

     Las caras de rozamiento deben ser empujadas una contra otra en dirección axial. En este ejemplo, la fuerza necesaria es generada por un resorte sencillo tipo cónico.
Otras formas son: un resorte sencillo ondulado  o bien varios resortes distribuidos alrededor de una circunferencia (Fig. 6).

Elementos de sellado secundario.
Las uniones entre la cara y el asiento con los elementos de la máquina donde se fijan (rotor o carcasa), deben ser sellados. En el ejemplo mostrado el asiento se fija a la carcasa del equipo y ésta unión se sella mediante un elemento de sellado estático, mientras que la unión entre la cara y el rotor se sella  mediante un elemento de sellado dinámico. Este elemento de sellado es “dinámico” porque se mueve axialmente sobre el rotor junto con la cara del sello.
Los elementos de sellado ilustrados son de sección transversal circular, conocidos como “o-rings”.
Adicionalmente a su  función de sellado, los elementos de sellado secundario funcionan como elementos de ajuste y centrado. El elemento de sellado de la cara ajusta y centra esta  sobre el rotor, mientras que el elemento de sellado del asiento ajusta y centra este en la carcasa del equipo.


Fuerza de cierre y fuerza de apertura.
La cara del sello es empujada contra el asiento mediante la fuerza mecánico de compresión del resorte y por la fuerza hidráulica generada por la presión del fluido a sellar. La suma de estas dos fuerzas se conoce como fuerza de cierre. En condición despresurizada la fuerza del resorte mantiene en contacto las superficies de rozamiento una contra otra. En operación dinámica, el fluido penetra entra las superficies de rozamiento y establece una separación de sellado. La presión del fluido es reducida en la superficie de rozamiento.
La presión en la separación de sellado genera una fuerza de apertura que contra actúa con la fuerza de cierre.


Momento de torsión.
El rozamiento entre las superficies de sellado causa un momento de torsión, parcialmente debido al rozamiento entre las superficies y la película del fluido y parcialmente debido al rozamiento directo entre las superficies. Este momento tiene que ser transmitido al rotor y a la carcasa del equipo.
En el ejemplo de la figura 5 el momento de torsión es transmitido del rotor al  resorte cónico mediante la interferencia que se logra entre el diámetro interior del resorte y el  rotor, luego el resorte transmite el momento a la cara del sello a través de una ranura.
En el asiento, el elemento de sellado secundario proporciona una fuerza de apriete entre en asiento y la carcasa del equipo, evitando que el asiento gire debido al rozamiento y por lo  tanto el momento de torsión con la cara.


Sentido de rotación.
Debe atenderse el sentido de enrollamiento del resorte tal que el sentido de rotación lo mantenga con interferencia con el rotor.


Materiales.
Los sellos mecánicos son fabricados de materiales especiales tales que sean resistentes a la abrasión, temperatura, presión y ataques químicos.

Materiales para las caras.
Los materiales de  las caras deben cumplir con las siguientes características:
o Bajo coeficiente de rozamiento,
o Suficiente dureza para soportar la abrasión y tener un mínimo desgaste,
o Alta conductividad térmica para  eliminar el calor generado por el rozamiento,
o Bajo coeficiente de expansión térmica para reducir los esfuerzos mecánicos,
o Alto módulo de elasticidad para reducir las deformaciones.
Los materiales comúnmente empleados para fabricar las caras de los sellos mecánicos son:
- carbones artificiales
- metales
- carburos
- óxidos metálicos

Carbones artificiales.
Los carbones artificiales  son materiales cerámicos no óxidos, suaves con variantes de acuerdo a tipo, composición y tamaño de grano y que difieren del material base - una mezcla de carbón amorfo y grafito cristalino - y el aglomerante empleado.  Las porosidades son  llenadas con impregnación (por ejemplo metales como el antimonio o resinas sintéticas).

Metales.
Los metales no son muy comunes para la fabricación de las caras de los sellos mecánicos, sin embargo son  una alternativa en condiciones de operación no agresivas. La fundición de acero al Cromo Molibdeno es un material empleado.

Carburos.


Un material muy común empleado para las caras de los sellos es el carburo de tungsteno (TC). Este material sinterizado consiste de 90 a 95% de cristales de carburo de tungsteno, los cuales son aglomerados por una matriz de cobalto o bien de níquel. El tipo y contenido del aglomerante influye directamente en la resistencia química y dureza.
El carburo de tungsteno también tiene una buena conductividad térmica, sin embargo no es adecuado para rozamiento sin lubricación.   

Carburo de Silicio.
El empleo de carburo de silicio para fabricar las caras de los sellos mecánicos ha aumentado. El proceso más adecuado es mediante sinterizado directo a temperaturas 2200°C y es casi tan duro como el diamante. Otro tipo de carburo de silicio es el aglomerado por reacción (SiC-Si) en el cual 10% aproximadamente de cristales de silicio quedan libres.
El carburo de silicio por sinterizado directo es químicamente resistente a cualquier tipo de fluido en la escala completa de pH, pero es más frágil que el aglomerado por reacción, este último es atacado químicamente por fluidos alcalinos con un pH de más de 10, debido al silicio libre.

Cerámica Óxido de Aluminio.
El material cerámico más conocido y empleado es el óxido de aluminio (Al2O3) que es resistente al desgaste y al ataque químico y no requiere ninguna impregnación. Sus desventajas son su fragilidad y baja conductividad térmica.


Combinación de materiales de las caras
Las combinaciones de los materiales de las caras pueden ser dividida en dos clasificaciones: Dura - Suave y Dura - Dura.

Los materiales suaves son todos  los carbones artificiales, mientras que los materiales duros son los carburos y los óxidos metálicos.
La combinación de materiales Suave - Suave no es recomendable.
La combinación Dura - Suave es la más recomendable y por lo tanto la más usado debido al bajo coeficiente de rozamiento que le permite operar sin lubricación en condiciones de emergencia.
Los carbones artificiales no son muy resistentes a la abrasión por lo que la combinación Dura - Dura es necesaria cuando el fluido a sellar contiene sólidos. Sin embargo esta combinación presenta un fuerte desgaste en operación sin lubricación,  por lo que debe asegurarse una adecuada lubricación y enfriamiento.


Materiales para los elementos de sellado secundario.

Elastómeros.
Existe una amplia gama de materiales elastómeros que pueden emplearse para fabricar los elementos de sellado secundario. La forma más común de los elementos de sellado secundario es de sección transversal circular (o-rings) aunque pueden diseñarse otras formas o bien fuelles.
Los elastómeros más comúnmente empleados son:
- monómero de etileno propileno dieno (EPDM)
- nitrilo (NBR, por ejemplo Perbunan®)
- fluorocarbon (FPM, por ejemplo Viton®)
- perfluorocarbon (FFKM, por ejemplo Kalrez®)
No elastómeros
- poli tetra-fluoro etileno (PTFE, por  ejemplo Teflon®) de excelente resistencia química.
- grafito puro (por ejemplo Statotherm®) de excelente resistencia térmica.

Materiales para los componentes de arrastre y ensamble.

Criterio de selección.
Los elementos de arrastre y ensamble tales como collares, tornillos y carcasas deben fabricarse de materiales resistentes al ataque químico y adecuados para la temperatura, presión y esfuerzos mecánicos a los que será sometido.
Los aceros inoxidables al cromo,  al cromo-níquel,  al cromo-níquel-molibdeno en diferentes aleaciones son los recomendables y comúnmente empleados  para la fabricación de los elementos de arrastre y ensamble de los sellos mecánicos.
Las propiedades de conductividad térmica, expansión térmica y resistencia mecánica deben ser analizados para cada aplicación.

Cálculo y Diseño.
Las siguientes ecuaciones y ejemplos numéricos aplican solo a los sellos lubricados con líquido. Las condiciones dinámicas en los sellos lubricados con gas son más complicadas.

Fuga.
Para lubricar y enfriar las superficies de rozamiento  se requiere que fluya líquido entre estas, lo cual resulta en una fuga normal que puede estimarse mediante una ecuación. Es posible que la fuga del fluido no sea percibida visualmente, esto significa que el calor generado por el rozamiento de las caras ha calentado el fluido hasta evaporarlo.

Factores que determinan la cantidad de fuga
Los factores más importantes que influyen en la cantidad de fuga son:
- condición de las caras del sello
- rugosidad, paralelismo y perpendicularidad de las  superficies de rozamiento
- condiciones del equipo (por ejemplo vibraciones)
- forma de operación del equipo (por ejemplo: continua o intermitente)
- características físicas y químicas del fluido a sellar
- diseño del sello
- cuidados durante el ensamble, la instalación y puesta en operación

Fuga teórica.
La fuga teórica a través de la separación de sellado entre las superficies de rozamiento de un sello mecánico lubricado con líquido puede ser determinada con la siguiente ecuación:

Q = π x rm x h3 x ∆p /  (6 η x b)

Donde:
Q = volumen de fuga
rm = radio medio de las superficies de rozamiento
h = distancia media de separación entre las superficies de rozamiento = espesor de la película de lubricación
∆p = presión diferencial entre el diámetro exterior y el diámetro interior de las superficies de sellado
η= viscosidad dinámica del fluido a sellar
b = ancho radial de la separación de sellado

Importancia de la separación de sellado.
La cantidad de fuga es directamente proporcional a la forma de la cara del sello (radio medio, ancho de la superficie de rozamiento), la presión y la viscosidad del fluido a sellar a una potencia de tres con la separación de sellado, tal que por ejemplo aumentando la separación de sellado en dos, la cantidad de fuga incrementará en ocho si las otras condiciones permanecen constantes. Esto ilustra la importancia de la separación de sellado así como las  demás variables. La separación de sellado  depende de la rugosidad  de cada una de las superficies de rozamiento, así como  del paralelismo y perpendicularidad. Es obvio, por lo tanto la importancia de la calidad de la producción y la estabilidad del material  en operación para minimizar la cantidad de fuga.


Consumo de potencia.

Operación normal.
Los sellos mecánicos consumen potencia en forma de calor.
En la mayoría de los casos, por  ejemplo a una presión de 10 bar, velocidades entre 1500 y 300 rpm y diámetros de rotores entre 40 y 60 mm, el rozamiento de las caras del sello puede consumir cientos de Watts. El calor resultante debe ser disipado del sello por el fluido ya sea mediante el flujo de este a través de la superficies de rozamiento o bien por convección mediante  la transferencia de calor a través de los componentes del sello hacia los componentes de la máquina.

Condiciones severas.
En condiciones severas  (altas presiones y velocidades o bajos puntos de ebullición), debe asegurarse la disipación del calor en forma rápida y suficiente para evitar que el fluido se evapore  en las superficies de rozamiento y provoque la  operación en seco que resultaría en la falla prematura del sello.

Aplicaciones en alta velocidad.
Para aplicaciones en alta velocidad (> 30 m/s, velocidad periférica en el diámetro medio de las superficies  de rozamiento), debe analizarse el calentamiento del fluido por la turbulencia y rozamiento con las superficies del sello mecánico y sumado al calor generado por el rozamiento de las caras.
El rozamiento promedio en la separación de sellado en un sello mecánico lubricado con líquido se calcula con la siguiente ecuación:

PR = pg x A x f x vg

donde:
PR = rozamiento promedio
pg = presión en las superficie de rozamiento (suma de la fuerza del resorte y de la fuerza hidráulica)
A = superficie de rozamiento
f = coeficiente de rozamiento
vg = velocidad periférica

Otros factores que influyen  y que no son conocidos cuantitativamente en  forma precisa, tales como el rozamiento del fluido y el contacto  directo parcial de las superficies de sellado (en una condición de “rozamiento semi-líquido”), son tomadas en cuenta en el coeficiente de rozamiento, el cual es un valor empírico.

Operación sin recirculación.
Cuando un sello mecánico no  puede ser aplicado en cajas sin recirculación (“Dead-End”) (sin enfriamiento o lubricación adicional), se debe proporcionar un enfriamiento interno o externo ya sea mediante la inyección continua de fluido de lubricación y enfriamiento a la cámara del sello desde una fuente externa o desde un punto del equipo a mayor presión que la que actúa en la caja del sello.
En las normas API610 y API682 se  recomiendan varios sistemas de lubricación y enfriamiento para sellos mecánicos en bombas rotatorias.

TIPOS DE SELLOS MECANICOS LUBRICADOS CON LIQUIDO

Sellos mecánicos No balanceados y sellos mecánicos balanceados.

Las caras del sello mecánico son  empujadas una contra otra por la combinación de las fuerzas del resorte o resortes y la fuerza hidráulica generada por la presión del fluido a ser sellado. La suma de estas fuerzas se conoce como fuerza de cierre (fuerza de los resortes FF+ fuerza hidráulica FH), que se calcula como  el producto de la presión diferencial Dp y la acción hidráulica de la superficie de sellado AH. Si la presión diferencial incrementa, la fuerza de los resortes es menos significativa comparada con la fuerza hidráulica.
La fuerza de cierre es contra  actuada por la fuerza de apertura generada en la película de líquido que se forma entre las superficies de sellado y por la fuerza de contacto entre estas. La fuerza de apertura en la separación de sellado se calcula mediante la integral de la curva de la presión en la separación de sellado     (psp).

Fuerzas axiales en la separación de sellado.

En la siguiente figura se muestran tres perfiles simplificados e idealizados de presión (actuando desde el diámetro externo al interno del sello).


Factor de empuje.

En presiones de 20  bar y mayores, la fuerza hidráulica es tan grande que la película de lubricación no puede establecerse entre  las superficies de sellado, lo que resulta en que estas estén en contacto sin lubricación y por lo tanto operen con demasiado desgaste.
Esto se soluciona reduciendo el área sobre la cual actúe la presión con respecto al área de contacto.
El factor de empuje (k) de un sello mecánico se define como la relación entre el área hidráulica AH y el área de contacto A:


Cantidad de fuga de un sello balanceado.

En el rango de presiones bajas y medianas, los sellos mecánicos no balanceados (k >= 1) son empleados con un factor de empuje aproximadamente de 1,  por ejemplo: el área  activa de presión es ligeramente mayor o igual que la superficie de contacto (Fig. 9a).
A mayores presiones o  velocidades, es importante asegurar que se establezca una adecuada  película de lubricación. Esto se logra con un sello mecánico balanceado (k < 1) con valores de empuje entre0.8 y 0.6 (fig. 9b). El área activa de presión es entonces 20 a 40% menor que la superficie de sellado y, la fuerza de cierre que actúa en estas se reduce en el mismo rango. Esto incrementa la cantidad de fuga de fluido a través de las caras.

El desempeño de cada sello mecánico depende de:
- rozamiento ideal del líquido  en la separación de sellado. Por ejemplo en un sello mecánico balanceado se tiene la ventaja de bajo consumo de potencia y mínimo desgaste, aunque la cantidad de fuga es mayor que la de un sello no balanceado.
- rozamiento semilíquido, esto es: que la película  de lubricación se establece solo en forma parcial en la superficie de sellado, lo que resulta en un mayor desgaste y menor tiempo de vida del sello. Esto es común en sellos no balanceados operando en presiones iguales o mayores a 20 bar o altas velocidades.
Si el sello es balanceado con un valor de empuje (k) igual o menor a 0.5, la fuerza de apertura puede ser tan grande que la separación de sellado se incremente demasiado y la cantidad de fuga sea incontrolable.

Sellos de empuje y sellos de fuelle.

Elemento de sellado secundario dinámico
Uno de los más comunes tipos de sellos es el conocido como sello de empuje, donde el elemento de sellado secundario se mueve  axialmente junto con la cara del sello.
Otro grupo de sellos es aquel donde el desplazamiento axial de la cara es soportado por un fuelle, mientras que la parte que hace el sellado secundario permanece estática. Este tipo de sellos es adecuado en servicios con contenido de sólidos.


La figura 10 muestra un sello mecánico de fuelle de elastómero  rotativo con un resorte sencillo colocado en su diámetro exterior.

Sellos de fuelle metálico.

La figura 11 muestra dos sellos mecánicos de fuelle metálico rotatorio. El fuelle metálico actúa como un resorte.


Los tipos de sellos de fuelle metálico son aplicados en servicios donde los sellos de fuelle de elastómero no son recomendables, tales como temperaturas extremas.

Sellos mecánicos  rotativo y sellos mecánicos estacionarios.
Los sellos mecánicos también se clasifican como sellos  rotativos y sellos estacionarios. En los primeros la unidad de empuje está fija al rotor y gira junto con este, en los segundos, la unidad de empuje se fija a la carcasa del equipo.


En la figura 12 se ilustra un sello mecánico estacionario para altas velocidades periféricas.
Los sellos mecánicos  rotativos son aplicados en velocidades periféricas menores a 25 m/s.
Sellos mecánicos presurizados en su diámetro exterior y sellos mecánicos presurizados en su diámetro interior.
Esta clasificación se refiere al arreglo del sello mecánico con respecto al lado donde actúa la presión del fluido.
Para sellos mecánicos presurizados por su diámetro exterior, la presión del fluido a ser sellado actúa desde el diámetro exterior de las caras. La fuga se mueve radialmente del diámetro exterior al interior de las cara. Los ejemplos anteriores, así como la mayoría de las aplicaciones son sellos de este tipo. La ventaja de este arreglo es que la presión del fluido así como la presión de apertura generada por la película lubricante contra actúan una contra otra minimizando la cantidad de fuga.

Fluido buffer contra los sólidos.
En los sellos mecánicos presurizados en su diámetro interior, tanto la presión del fluido de proceso como la del fluido auxiliar (buffer) actúan desde el diámetro interior de las  caras del sello. La fuga fluye radialmente desde el diámetro interior hacia el diámetro exterior de las caras, siendo por lo tanto mayor que en los sellos presurizados desde su diámetro exterior.
Cuando existe presencia de sólidos en el fluido de proceso, debe emplearse un sistema de fluido auxiliar buffer a mayor presión que la del fluido a sellar, esto evitará que los sólidos pases entre las superficies de sellado y las dañen.

SELLOS MECANICOS SENCILLOS Y SELLOS MULTIPLES
Los sellos mecánicos descritos anteriormente son sellos sencillos, en los cuales el fluido a  sellar penetra entre la  separación de sellado, lubricando las superficies de sellado, evitando su contacto. Lo que significa que los sellos sencillos  solo pueden operar con fluidos con características lubricantes y que fluyan fácilmente.

Fluidos no adecuados para los sellos sencillos

Los sellos sencillos no pueden ser aplicados para sellar fluidos con las siguientes características:
- alta viscosidad
- contenido de sólidos
- peligrosos o explosivos
- químicamente agresivos
- de presión de vapor cercana a la de operación

Sello mecánico en arreglo doble.

Los fluidos con las características descritas anteriormente son sellados con sellos mecánicos en arreglo doble, los cuales operan con un sistema de fluido buffer a mayor presión (2 o 3 bar) que la del producto, evitando que este dañe los componentes del sello. La fuga normal es de fluido buffer hacia el lado producto y hacia la atmósfera, por lo que debe emplearse un fluido limpio, con propiedades lubricantes, compatible con el fluido de proceso y no peligroso para el ambiente.


La figura anterior ilustra un sello mecánico en arreglo doble con un sistema buffer, el cual esencialmente consiste de un recipiente termosifón para un fluido  presurizado. El recipiente debe contener suficiente cantidad de fluido  buffer para soportar la fuga normal del sello durante un tiempo adecuado. La presurización del sistema se efectúa inyectando un gas inerte (por ejemplo N2). La remoción del calor se logra con el serpentín de enfriamiento localizado en el interior del recipiente y por el cual se circula agua.
Existen otros diseños de sistemas de lubricación y enfriamiento que se emplean para la operación de sellos dobles, por ejemplo un sistema de presurización con bomba de recirculación integrada en el circuito buffer.
Definitivamente para un sello doble se requiere un sistema de lubricación y enfriamiento más  sofisticado que  para un sello sencillo.

Arreglo tándem.

El arreglo tándem se define como dos sellos colocados en la misma orientación (fig. 14). El sello interno (lado producto) opera a la presión del fluido de proceso, mientras que el sello externo (lado atmosférico) opera a  presión atmosférica. La fuga normal del sello interno se colecta en el sistema termosifón de lubricación del sello externo.


Los sellos en arreglo tándem se aplican cuando: la fuga del fluido de proceso puede ser enviada a un sistema de venteo aprobado.
La presión del fluido de proceso es  muy grande tal que debe abatirse en dos o tres fases de sellado  la presión del fluido de proceso es negativa (vacío). Entonces el sistema de lubricación del sello externo también proporcionará la lubricación y enfriamiento necesarios a las caras del sello interno.

Sellos mecánicos en cartucho.

El término sello en cartucho es empleado para describir los sellos que forman una unidad completamente ensamblada lista para ser instalada en el equipo (fig. 15).


Las ventajas de un sello en cartucho son:
- fácil y rápida instalación
- pueden ser probados en fábrica
- los componentes delicados (caras y empaques) son protegidos contra daños durante transporte y almacenamiento.
Durante la transportación e instalación, los elementos de fijación (espaciadores) mantienen sin movimiento relativo los conjuntos dinámico y estático del cartucho. Estos espaciadores deben ser removidos del cartucho o girados 180° una vez que el cartucho se fijo adecuadamente a la carcasa y al rotor del equipo y antes de iniciar su operación.


Sellos mecánicos lubricados con gas.
Los sellos mecánicos lubricados con gas (sellos de gas) son una moderna tecnología de sellado  que pueden aplicarse en arreglo sencillo para el sellado de gases  o bien en arreglo doble para sellado de líquidos en equipos rotatorios.
Esta tecnología brinda ventajas económicas de operación y mantenimiento debido a su bajo nivel de fuga  de gas de sellos, operación sin desgaste de sus caras y bajo consumo de potencia.
Los sellos de gas en arreglo sencillo son aplicados en sopladores, ventiladores y turbinas de vapor, reemplazando a los sistemas de sellado de poca eficiencia tales como  laberintos, anillos de restricción e incluso sellos mecánicos lubricados con líquido, por ejemplo sellos lubricados con aceite de compresores  rotatorios.
Los sellos mecánicos de gas  pueden aplicarse en bombas, e incluso en agitadores y reactores.

Principio de operación.
La estructura de un sello mecánico de gas es similar a la de un sello lubricado con líquido, con la diferencia de que en el sello mecánico de gas las caras operan sin contacto entre sí debido a una película de gas.
Una de las caras tiene ranuras aerodinámicas que operan como álabes succionando el gas de sellos,  incrementando su presión y estableciendo una película de este gas entre las dos caras del sello, evitando que estas hagan contacto y por lo tanto operan sin desgaste.
La separación es de  apenas algunos micrones, lo que resulta en una mínima fuga de gas de sellos y por lo tanto un mínimo costo de operación.
Los sellos en arreglo sencillo que operan con presión por su diámetro externo son aplicados  para sellar gases limpios, mientras que en arreglo doble son recomendados para el sellado de líquidos que no contengan sólidos, para los cuales  se aplican sellos presurizados por su diámetro interior.

Materiales.
Los límites de operación de presión, temperatura y velocidad son determinados, además de  por el diseño, por los materiales de los elementos de sellado secundario y de las caras del sello. La combinación de caras dura - suave  (SiC - carbón grafito) es adecuada para bajas presiones. Esta combinación permite que las caras hagan contacto durante los periodos de paro y arranque con un mínimo desgaste. En aplicaciones de altas presiones, solo pueden emplearse ambas caras en materiales duros (SiC-SiC) para evitar las deformaciones de los elementos. Sin embargo esta combinación tiene un coeficiente de rozamiento muy grande por lo que debe buscarse la forma de reducirlo para poder usarlos. Un recubrimiento de Carbón tipo diamante (DLC = diamond like carbon) en una de las  caras, permite que estas hagan contacto sin desgaste durante los paros y arranques del sello. Con estos materiales (SiC de alto módulo de elasticidad y excelente conductividad  térmica, así como resistencia química) y el recubrimiento de carbón tipo diamante (de mínimo coeficiente de rozamiento) se obtienen sellos capaces de  operar en severas condiciones.

 índice

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ENTRADAS RELACIONADAS


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FUENTES:





Principios de los sellos mecánicos. http://www.novatec.cr/Utilitarios/Burgmann_Sellos%20mecanicos/Principios_Sellos-mecanicos.pdf