ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA

DEL LITORAL DEPARTAMPNTO

DE

lNOENlERlA

MECANICA

Centrales Diesel Electricas TESIS DE G R A D 0 PREVIA

A

LA

OBTENCION

INGENIERO

DEL TITULO

DE

MECANICO

POR

Fielden L. Torres Paredes JULIO DE 1978

GUAYAQUIL- EOUADOR

Centrales Diesel Electricas

DIRECTOR DE TESIS

---------

.--------------... --.-.---ING. FREDDY CEVALLOS

AUTOR

A B R A D E C I M I E N T O

**************

A LZS SEROIIITRS ;.%I\JSCP%Am VELASCO Y I lo15 iI CcZ?ltT:R4, I\JIS;AS E C O ; J0CIIX)S AGRIWHC I: II~'JTOS POP LA VAL IOSA AYrJ3A P;:U

Temperatura y p r e s i h del a i r e admitido, l a presidn de salida y l a relacidn de compresidn.

ii)

Disefio de 10s sistemas de escape y admisi6n e l cual va a depender del recorrido del pistdn.

La k i m a eficiencia volm6trica posible de obtener para un motor d ie sel sobrealimentado ser5:

2.1 .5

INFLUENCIA DEL COEFICIENI'E DE CARGA

(d )

Para una m5quina de encendido por chispa, e l coeficiente de carga sig nifica l a cantidad de combustible que e s t 5 presente en l a mezcla. Para una m5quina diesel viene a s e r e l porcentaje de combustible requerido por una can -

tidad determinada de aire, y se expresa de l a siguiente forma:

Ga: cantidad requerida de aire (Kg/h)

Gc: gasto de combustible (Kgh) Lo: cantidad de aire tedricamente necesaria para que* mar por completo 1 Kg de combustible.

i) i i)

-

Segh esta relacidn obtenemos que: A mayor cant idad de combustible 6( t 4 ,o A menor cantidad de combustible

2 1,o

E l primer caso caracteriza a 10s motores de encendido por chispa, mien tras que e l segundo caracteriza a 10s motores diesel, cuya variacidn d s gene ralizada es 7 4,2 Esto significa que l a temperatura del ciclo diesel tiende a ser menor, l o que trae corn consecuencia un aumento de l a e f iciencia volum6trica (Fig. 2.3n)

.

2.1 .6

INnUENCIA DE LAS PRESIONES DE ADMISION SOBREALIMENTADA Pk Y DE DES CARGA Pd La mayoria de 10s motores diesel estacionarios trabajan con sobreali -

mentacidn, es decir, reciben e l aire de admisidn, a ma presidn Pk mayor que l a presidn atmosfgrica Po (Fig. 2J5b)Fn este caso se est5 utilizando un turbocompresor que apmvecha l a presidn de 10s gases & salida del cilindro Ps que la tambien es mayor que l a presi6n normal, y 10s descarga a l a atm6sfera a misma presidn que l a atmosf6rica Po Se define como coeficiente de sobrecarga 1a l a relaci6n entre l a canti dad de aire Ga que entra en e l proceso de adnisi611 con l a cantidad de a i re G'a que tedricamente puede entrar en e l recorrido del pist6n. E l coeficien t e de calentamiento es d , y para 10s &culos se utiliza una variaci6n entre 1,05 y 1,12. Fntonces, e l valor de l a eficiencia v o l d t r i c a para un motor sobrealimentado y en funci6n de Pk y Po se expresa por una relacidn conocida como eficiencia v o l d t r i c a de Maxwell y que parte de ciertas considera ciones fisicas y matedticas, llegando a l a siguiente expresidn:

Para poder observar con menor d i f i d t a d 10s factores que influyen sobre l a eficiencia v o l d t r i c a , se puede adoptar 10s siguientes valores* para un c51 culo aproximado: Tabla 2.1

Con l o que s e obtiene:

La relacidn de

11,

entre un m t o r simple y uno sobrealimentado nos

da:

si6n de sobrealimentaci6n Pk mayor ser5 q,, y mientras mayor sea l a pre si6n de descarga Pd, menor sera 7, . Esto p o d m s visualizarlo mejor urn A p a r t i r de e s t a relacidn se concluye que mientras mayor sea l a pre

l a Fig. 2.4 2.1.7

INFLUENCIA DE LA RELACION DE CCWRESION rc

La relaci6n de compresi6n tiene una notable influencia desde e l pun

-

to de v i s t a que constituye l a relaci6n entre volirmenes comprimidos, entendien dose que e l volumen a comprimirse e s t 5 constitfido por una mezcla entre 10s residuos de l a conibustith anterior m5s e l a i r e admitido en e l nuevo ciclo que puede s e r sobrealimentado o no. En consecuencia, se entiende que e l volumenque van a ocupar 10s gases quemados en e l proceso de admisidn va a depender de rc, y s e van a expandir s i Pa C PI o s e van a comprimir s i Pk > P A 1' continuaci6n presentarrps esquematizado e l sentido f i s i c o del fendmeno.

Tabla 2.2. VARIACION DE LAS PRESIONES

pa

4 P1

Los gases quemados s e expanden porque l a presi6n de l a &ara, en ese instan t e es myor, mientras que e l a i m adEn mitido tiene m a presi6n menor. consecuencia e s ba j a. l v Aumentando l a relaci6n de compresi6ns e va a pexmitir que ingrese m5s cantidad de a i r e , con l o cual aumen ta.

b

k'

>

1'

Po

<

Pk

Los gases quemados se cornprimen por efecto de l a a l t a presi6n del a i r e de sobrealimentaci6n. En consecuencia s e permite e l ingreso de mayor cantidadde aire. Asf mism, aumentando rc s e va a obtener mayor r 7v

Esto tambi6n s e visualiza mejor con l a Fig 2.5 cuya curva varfa segCln la relaci6n:

E l proceso de compresi6n en m a MCI ocurre te6ricamente a e n t e a cons -

tante, mientras que en l a realidad s e tiene m a variaci6n del coeficiente pol i t d p i c o n desde valores mayores a K, cuando a h e l a i r e e s t 5 f r i o y empieza a r e c i b i r calor del medio, a valores menores cuando e l a i r e , por efecto de l a compresi611, s e ha calentado l o suficiente corn para provocar e l autoencendido del combustible (Fig. 2.6) La compresi6n s e i n i c i a cuando e l pist6n comienza a subir desde e l PMI, y l a v5lvula de escape deja transcurrir m breve lapso para cerrarse provocando una cornpresih debido a l a presi6n dinihica del a i r e y por efecto mismo de l a dismhuci6n de volunen en e l i n t e r i o r del cilindro.

A pesar de que e l coeficiente politr6pico n varla en 10s mtores dies e l entre 1,34 y 1,37, para l a determinaci6n de l a temperatura y l a pre

si6n a1 f h d e l proceso de compresi6n, no s e considera corn tal sino que s e selecciona un valor constante con e l cual s e obtiene resultados altamente aproximados, a p a r t i r de l a s relaciones:

2.1 .9

PROCESO DE COMBUSTION

El proceso de combusti& comienza tedricarnente cuando ha terminado l a camera de campresi6n y las v5lvulas permanecen cerradas, y termina cuan do toda l a mezcla s e ha consumido htegramente y s e dispone a efectuarse e l proceso de trabajo me&ico de l a misma. La combusti6n es un proceso que sucede en un breve lapso y dura aproximadamente 1/10 de vuelta del ciguefial. Para que s e efectfie con una a l t a eficiencia e s necesario que s e establezcanc i e r t a s condiciones como: i) ii) iii)

intensa turbulencia del a i r e intensa pulverizaci6n del combustible de combusti6n. adecuada f o m de l a &ra

Los detalles del proceso de combusti6n en 10s motores de encendido por compresi6n son complicados, y parten de l a s consideraciones i n i c i a l e s de que e l combustible, con s u a l t a presi6n de inyecci6n (150 5 3000 Kg/m 2 ) tiene pr5cticamente que chocar con las partlculas de a i r e que s e encuentra en plena turbulencia, teni6ndose como consecuencia una evaporaci6n del mism y una intensa oxidaci6n que provoca l a aparici6n de 10s nGcleos que en conjunto cons tituyen 10s frentes de llama que a 1 propagarse por todo e l i n t e r i o r de l a dmara encienden e l resto de 10s nficleos oxidantes produci6ndose a s u vez un increment0 de l a turbulencia que favorece a1 encendido completo del combustible inyectado. Todo esto sucede en un breve lapso que por sus diferencias esenciales s e ha clasificado en t r e s etapas llamadas l a s tres fases de l a combus ti6n.

Al proceso de combusti611 s e l e debe relacionar siempre con l a c a n t i dad de combustible inyectado l a cual e s funci6n del giro $ del ciguefial,

y

con l a velocidad de i m a d i a c i h del calor, teniendose una variaci6n como l a representada en l a Fig. 2.7

2.1.9.1

PRIMERA FASE (Fig. 2.8)

Llamada tambi6n "fase de retrazo de l a combusti6n", corresponde a1 retrazo en tiempo, entre e l momento en que empieza l a inyecci6n hasta e l momento en que empieza a autoencenderse e l combustible. Esta fase dura mos 40°de g i r o del cigueiial y est5 representada por l a secci6n ab de l a curva del proceso de combusti6n. Al finalizar esta fase, se ha aumentado l a presi6n de 10s gases en e l cilindro y empiezan a aparecer 10s frentes de llama. En o tras palabras, este e s m perfodo de "calentamiento" durante e l w a l , e l combustible, mientras es pulverizado dentro de l a c b r a bajo a l t a p r e s i h , es llevado de su ternperatura normal a aquella que tiene e l a i r e comprimido en e l cilindro. La temperatura de compresien tendr5 que s e r mayor que l a del punto de ignici6n del combustible de manera que, luego de m cierto perfodo de r e trazo, puede comenzar e l encendido del combustible inyectado. E l perfodo de retrazo puede ocupar hasta un tercio del tiempo t o t a l de inyecci6n e l cual de be manten6rsele como l h i t e ya que, corn veremos en l a pr6xima fase, esto pro duce un funcionamiento tosco y m valor elevado de l a carga sobre 10s cojinetes. La longitud de este perfodo de retrazo est5 directamente influencia

-

da por:

i) ii) iii)

atomizaci6n del combustible calidad de l a ignici6n del combustible diferencia de temperaturas entre l a s del combustible inyectado y l a de l a carga comprimida, siendo esta diferencia relacionada a l a temperatura de compresi6n y por consiguiente, a l a r e l a c i h de com presi6n de l a nbquina.

Despu6s de que l a combusti6n ha empezado, l a temperatura aumen b gradualmente debido a1 hecho de que e l calor todavfa est5 siendo absorvido por l a mayoria de l a s partfculas de combustible presentes. E l perfodo de retrazo, por tanto, se prolonga hasta que e l calor liberado por e l combusti ble encendido sea m5.s que suficiente para compensar e l calor requerido para l a preparaci6n del combustible adicional para 1 a combusti&. 2.1.9.2

SEGUNDA FASE (Fig. 2.8)

Puede considerarse que esta fase comienza cuando ya s e ha frente de llama y empieza a propagarse en todo e l interior de l a cual va acompa?lado de un intenso aumento de calor a1 igual que P y l a T de l a mezcla. Esta fase corresponde a l a secci6n bc de

formado e l chra, lo aumentan l a s l a c u m de

l a Fig. 2.8 y de e l l a depende l a suavidad o rudeza en e l fmcionamiento

del

motor l o cual est5 valorizada por l a relaci6n:

TERCERA FASE (Fig. 2. @)

2.1 .9.3

Llamada fase de combustitin, comienza en e l mmento en que se alcanza

i l a ndxima presitin PZ y en que ha terminado totalmente l a inyeccitin, y t e mna cuando sz ha quemado c a s i todo (95%) e l combustible inyectado. En e s t a etapa s e alcanza l a &ima temperatura cuando e l ciguefial ha girado entre 20°y 35"despds del PMS y l a presi6n empieza a disminuir o se mantiene con2 tante, y se sucede l a expansi6n. La presi6n lograda durante e s t e perlodo depende casi enteramente de l a raztin de inyecci6n del combustible de manera que l a raz6n de l a combus ti6n puede s e r controlada confome a1 diseiio de las levas. 2.1.9.4

CONDICIONES DE LA COMBUSTION Las condiciones esenciales para una combusti6n completa son: i) ii)

E l combustible debe s e r inyectado dentro del cilindro con un a l t o grado de atomizaci6n. Un suplemento adecuado de a i r e debe e s t a r disponible de mane r a que e l combustible puede mezclarse con 61 fntimamente E l car bono y e l hidr6geno en e l combustible puede quemarse en conjzrn citin con s u propia w t a de oxfgeno.

.

En l a pr5ctica estas condiciones no son siempre alcanzables. La m5quina diesel lleva dentro del cilindro m& que suficiente a i r e para que mar l a & h a carga de combustible inyectado, pero de esto no s e concluye , que necesariamente todo e l combustible sea eficientemente quemado. Esto es principalmente debido a l a inhabilidad de que e l combustible pulverizado pe netre en todas l a s esquinas de l a cGmara de combustitin y por tanto, de que se ponga en contact0 con l a carga de aire. Una atamizaci6n altamente pulverizada tiene muy poca potencia de penetraciGn, mientras que e l a i r e bajo presitin de aproximadamente 500 psi t i e ne casi l a misma consistencia que e l agua. Por otro lado, s i l a pulverizaci6n es muy penetrant9 l a s gotitas de combustible no son suficientemente pe quefias para lograr l a combusti6n completa que tiene lugar en fracciones de

segundos, y e l combustible no quemado pasar5 a1 escape y saldr5 en forma de humo negro. La mayorla de 10s sistemas de inyecci6n son un compromiso entre estos dos extremes, de manera que e l combustible e s atomizado tan altamente corn las condiciones l o pennitan, per0 se busca l a suficiente potencia de penetra ci6n de manera que l a dmara de combusti6n sea razonablemente cubierta. La fom m5s adecuada de introducir l a carga de a i r e dentro del c i l i n dm es en fonna de una violenta turbulencia l a cual encuentra a1 combustible y lo mezcla con e l a i r e en e l menor tiempo posible preparihdolo para que se queme completamente

.

2.1 .10

FACTORES QUE INFLWEN EN EL PROCESO DE COM3USTION EN JAS MCI

Como 10s principales factaes que influyen sobre e l proceso de combustiBn consideraremos 10s siguientes : i) ii) iii) iv) v) vi) vii) viii) 2.1 . l o . 1

Propiedades del co&us t i b l e Relaci6n de compresi6n Construcci6n de l a c b r a de combusti6n Calidad de pulverizaci6n y tiempo de inyecci6n adelanto de l a inyecci6n coeficiente de carga RPM del ciguefial Presi6n y temperatura en l a admisi6n y presi6n en e l escape. PROPIEDADES DEL COMBUSTIBLE

Las propiedades de un combustible e s t h dadas por su composicih quimica, viscosidad, densidad, temperatura de autoencendido, e t ~ . Pero las propiedades que influyen directamente en e l "perlodo de retrazo" de l a combusti6n son l a composici6n quimica y l a temperatura de autoencendido. S i es que un combustible contiene mayor o menor cantidad de hidrocarburos aronbticos o parafinicos, e l "perlodo de retrazo" sufre alteraciones en su apari c i h , como puede observarse en l a Fig. 2.11 Otras propiedades del combustible que son de inmediata importancia son l a viscosidad y l a capacidad de evaporaci6n l a s d e s influyen en l a pulverizaci6n del combustible en e l momento de l a inyecci6n y en l a evaporizaci6n de las finas gotas que se forman can e l f i n de aprovechar en mayor grado, t o

da l a cantidad de aire admitido y constituir una mezcla m5s homogenea.

2.1.10.2

RELACION DE COMPRESION

n Seg6 puede observarse en e l diagram T-s de l a Fig. 2.1, s i se a w ta l a relaci6n de compresi6n rc de un XI, tambign se amentarfa l a presi6n y por ende, l a temperatura del aire que se encuentra en e l cilindro y l a con secuencia inmediata serla e l trabajo m5s suave del m t o r l o cual en cier -ta forma significa que se ha disminuido e l periodo de retrazo debido a un in tercambio m5s efectivo de calor entre particulas de aire y de combustible. No es p r k t i c o tener altas relaciones de compresi6n en l a s XI debido a l a pre-ignicih de l a carga explosiva. Las dquinas diesel, confiando en que e l calor producido por l a compresi6n encienda l a carga de combustible,co mGnmente tienen relaciones de compresi6n m& altas que l a relaci6n 8,5/1 y la eficiencia termica del diesel es correspondientemente m5s favorable que para e l caso de una MCI de encendido por chispa. Las dquinas diesel de inyecci6n directa, de tamafio mediano tienen relaciones de compresi6n del orden de 14/1 dando una eficiencia t h n i c a de 36-37%,mientras que en m5quinas pe quefias de inyecci6n indirecta operan con 19/1 y con una eficiencia t h n i . ca de 30-31 % Se habr5 notado que aunque l a relaci6n de conpresi6n del segundo g m po de m5quinas es mayor que e l primero, l a eficiencia t h n i c a es d s baja ; sus este es un rasgo que debe suponerse en l a s m5quinas pequeks, ya que p6rdidas de calor inevitablemente mayores debido a l a raz6n de l a superficie de l a c h r a de combusti6n a su volumen, siendo mayor para m5quinas pequeiias y menor para las dquinas de mayor d i h e t r o . Esta mayor pgrdida de calor , asociada con e l menor tamafio de las dquinas debe ser especialmente considerada con referencia a1 arranque en frlo, ya que a menudo se encuentra que la m5s econ6mica relaci6n de compresi6n para e l funcionamiento es tambien me nor para dar un arranque absolutamente confiable. E s algunas veces necesa rio hacer uso de implmentos de calor para ayudar a1 arranque inicial, o l a rC puede ser tempralmente incrementada para dar mi% calor de compresidn.

Las temperaturas de wmpresidn son del orden de 1.000 O F que es correc ta en e l exceso del punto de encendido de l a mayorfa de 10s combustibles (aproximadamente 700°F). Sin embargo,cuando una planta est5 instalada en un arnbiente muy f r i o y se requiere arrancar e l grupo y ponerle carga en e l me nor tiempo, es aconsejable calentar sea l a s camisas o e l aire que recibe l a dquina, de manera de asegurar que e l calor de compresidn sea suficiente para garantizar l a combusti6n.

2.1.10.3

CONSTRLJCCION DE LA CAMARA DE COMBUSTION

Uno de 10s problems que m5s ha preocupado a 10s diseibdores de mliqui nas de combustitin interna es indudablemente e l conseguir e l 116sa l t o porcentaje de a i r e utilizado para l a combusti6n con una deteminada carga inyec tada. Esto a veces depende del grado de pulverizaci6n que haya alcanzado e l combustible as5 como del grado de turbulencia que s e ha logrado. Pero se de be afiadir otro factor de gran importancia que e s e l disefio de l a dmara en l a cual se debe d i s t r i b u i r de l a forma 116shomoggnea posible l a carga inyec tada tada cuyo "chorro de inyecci6nff tambi6n debe tener una foma adecua -

da para penetrar en todos 10s rincones de l a h a r a de combustidn. Buscando lograr e l mejor disefio se ha creado m a serie de fomas de c h r a que en definitiva l a s podemos dividir en dos w s : i)

ii)

Charas de inyeccitin directa que reciben directamnte l a carga i n yectada y que se caracterizan por s e r eficientes pero que consi guen una cierta rudeza en e l trabajo del motor. (Fig. 2.12) C h r a s de inyecci6n indirecta en l a cual l a carga no s e inyecta directamnte a l a &mra de "trabajo" sino que s e u t i l i z a una c5mara adicional en l a cual se la prepara para la mezcla con el aire

comprimido de la chara adjunta. 2.1.10.4

ADELANTO DE LA INYECCION (Fig. 2.13)

La inyeccidn del conibustible puede efectuarse antes del PMS o despds de 61, producigndose en ambos casos, efectos diferentes. Cuando iniciamos l a inyecci6n con hgulos mayores a 20" antes del PMS, l a combustitin se sucede con un gran aumento de presidn, y l a presi6n a1 final de l a combusti6n Pz, e s sumamente grande.

(Xlando disminuimos e l h g u l o a valores menores de 10" antes del PMS estamos disminuyendo tambi6n l a presidn a ~ / d t y e l proceso de combus ti6n pr5cticamente se superpone con e l de expansitin.

,

-

Se ha deteminado como pmto 6ptimo a1 Zingulo -15" en que s e obtiene un funcionamiento mlis suave del motor, ya que as5 disminuye e l '"periodo de re trazo" amque en realidad e l Zingdo 6ptimo depende tambi6n de l a relaci6n de compresidn r C

2.1.10.5

.

OEFICIENTEDECARGA ( o( )

(Fig. 2.14)

La combusti611 de 10s MCI e s 6 relacionada con un valor medio del coe -

ficiente de carga 4 (o sea, con l a cantidad de combustible que intervie ne en l a mezcla) y esto se debe a que varia constantemente en tiempo y en porcentaje de volumen de l a c h r a . A s i tenemos que cuando: O(

es pequefio

...........La cantidad de combustible

Gc

que se consume es grande. o(

e s grande

.........,.El

tiempo de combusti6n disminu -

Ye* 2.1 - 1 0 . 6

REVOLUCIONES POR MINUrO (RPM)

E l aunento de l a s RPM d e l motor implica un acortamiento de todos 10s

procesos de trabajo de l a dquina, y es de mayor wnsideraci6n l a disminu ci6n del tiempo que corresponde a1 pmceso de f o m c i 6 n de l a mezcla y de l a combusti611 (lo que hace que l a combusti6n contintie en l a lfnea de expansi6n) y por otro lado, para compensar l a disminuci6n de 10s tiempos se debe aumentar e l 5ngulo donde comienza l a inyeccidn con l o cual hay que tomar medidas de consideraci6n respecto al diseiio del motor. 2.1.10.7

PRESION Y TEMPERATURA DE AIMISION (Pk, Tk) y PRESION DE ESCAPE (Pd)

En un MCI a compresi6n, l a carga de a i r e que se admite bien puede en contrarse a l a s condiciones atmosf&-icas, pem se ha detenninado que al so brealimentar l a carga se obtienen condiciones Pk y Tk que tienen como ventajas e l aumentar su peso especifico, aumentar l a turbulencia y l a temperatma

del aire, mejor5ndose en conjunto l a formaci6n de l a mezcla y disminuyendose e l perlodo de retrazo. Por otro lado, a1 a m n t a r s e l a presi6n de descarga se disminuye l a contrapresi6n de 10s gases de escape f a c i l i t h d o s e que Sean expulsados todos 10s residuos de l a combusti6n anterior, l o que produce a su vez, un mejora miento de l a potencia promedia del m t o r . 2.1 . l l

PROCESO DE EXPANSION E l proceso de expansitin contink a1 proceso de combusti6n y es e l mo

-

mento en e l cual, luego de l a explosi6n del combustible, s e obtiene e l trabajo mechico en e l eje de salida, por l o que es importante obtener una mayor relaci6n de expansi6n ya que asi se obtendr5 mayor trabajo efectivo realizado.

C m hemos estado o b s e m d o en 10s procesos anteriores, ninguno

de

ellos tiene una limitaci6n tedrica sin0 que e s t h sujetos a las variacionesde 10s distintos perlodos por 10s que atraviezan. Asl p r ejemplo, e l proceso de combustidn tedricamente debla s e r instanthe0 y terminar en e l %IS con l o cual e l proceso de expansi6n debia variar su temperatura desde Tz hasta To, entonces l a mayor cantidad de calor se transformarla en trabajo efectivo pero en l a prgctica no sucede as5 sino que l a temperatura y l a presidn a1 f-i nal de l a expansi6n salen con valores mayores a 10s de l a s condiciones atmos fgricas y con ello, m a buena parte de l a energia del combustible sale expulsada dl exterior. En e l ciclo real, e l findice p l i t r 6 p i c o del proceso de expansi6n va ria (ver Fig. 2.15) ya que Bste empieza absonriendo calor de las paredes circundantes que es& m5s calientes, y termina expulsando l a diferencia de calor que no pudo transformarse en trabajo efectivo. Ya que esta variacidn

no es f k i l de obtener, se ha considerado, para 10s c5lculos, m findice pro medio n2 c u p s variaciones son: Tabla 2 . 3

L a s diferentes relaciones para este proceso son:

2.1.12

PROCESO DE ESCAPE

( F I G . 2.16)

E l proceso de escape es l a fltima etapa del ciclo de 10s MCI y continth a1 proceso de expansidn. Consiste esencialmente en l a expulsi6n de 10s gases quemados desde e l cilindro hasta e l exterior, y aunque es complicado de

estudiar porque no se ajusta a l a s leyes temdin5micas es tan importante co mo cada uno de 10s procesos anteriores ya que c m 61 escapa l a energLa que no se pudo aprovechar en e l cilindro, y que puede ser p o s t e r i o m n t e u t i l i z a da en un turbocompresor para sobrealimentar e l ciclo.

Una de l a s cosas importantes dentro d e l estudio del proceso de escape debe considerarse l o relativo a1 ruido y a l a energia que escapa junto con

10s gases quemados. En e l primer caso tenemos que, debido a l a relaci6n de presiones en t r e l a del cilindro a1 mmento del escape y l a presidn atmosf6rica que por lo general e s t 5 entre 10s valores siguientes:

Debido a esta a l t a relaci6n de presiones s e tiene que l a velocidad de salida de 10s gases alcanza valores mayores que 1000 m/s produci6ndose en con secuencia m choque de 10s gases con e l medio l o cual produce e l intenso ruido de 10s m t o r e s que solamente ha podido s e r absorvido por e l uso de 10s llamados silenciadores que se encargan de expandir 10s gases para disminuirles rgpidmente l a presibn. A s u vez, estas altas relaciones de presidn que provocan grandes velocidades de escape tienen com consecuencia directa e l increment0 de l a energla cin6tica de 10s gases, l o cual significa, en otros t6rminos, l a perdi -

da de parte de l a energla del combustible por concept0 de energla de 10s gases. Despreciando l a s p6rdidas en 10s conductos del escape, l a energfa cine tica de 10s gases en las v5lvulas e s t 5 entre 35-47% de l a energla introdnrci da a1 cilindro, teniendose en cuenta que e l proceso empieza con 30 a 50°an tes del PMI en que s e abre l a v5lvula de escape y temina aproximackunente con 1% 5 180" despds del PMI en que l a velocidad & 10s gases disminuye a unos 100 5 150 m/s. Eh general, e l proceso de escape tiene una duraci6n de 250 5 260" l o

que equivale, para ma m5quina de 3000 RPM, a 1/100 seg., mientras que e l va lor medio de l a energla cinetica que s e produce equivale a una potencia de

100 5 800 HP que potencialmente puede s e r utilizada en e l trabajo de sobrealimentaci6n de l a m5quina. La temperatura de 10s gases de escape se calcula con:

33 -2.1.13

CALCULO DEL CICLO STANDARD

Un ciclo Diesel standard tiene m a relaci6n de compresidn de 1511 y e l calor transferido a1 fluido de trabajo, por ciclo es 800 BTUIlb. Al co 2 mienzo del proceso de compresi6n l a presi6n es 1 4 , 7 Lb/plg y l a tern peratura es 60 O F . Fncontrar: i ) Presi6n y temperatura en cada punto del ciclo i i ) La eficiencia t6rmica i i i ) La presi6n media efectiva Designando a1 ciclo como e l de l a Fig. 2 . 1 , tenemos: 2 PI = 14,7 lb/plg ; TI = 520 O R Pv= RT

.................ecuaci6n

de estado

CALCULO Y DISENO DEL SISTEMA DE REFRIGERACION EXI'ERNO

Debido a l a s elevadas temperaturas producidas por l a codusti6n de 10s conbustibles, en l a s nbquinas de combusti611 interna, comprendidas entre 10s 1.700 y 2.500 O C , es necesario producir m a r5pida absorci6n del calor producido por e l l a s por a l g h medio a r t i f i c i a l y continuo, pues de o t r a forma se 1legar"ia a l a inmediata destruccith de 10s materiales que tienen que soportar estas elevadas temperaturas, y cuyas consecuencias serian obviamnte impreviscibles. Las partes del motor que soportan dtas temperaturas, al canza aproximadamente 10s - siguientes puntos :

......................... ..................................... .................... ...........................

Paredes del cilindro Pistones Paredes c b r a combusti6n V a v u l a s de escape

150 - 20OoC 3OO0C 250°C 700 - 750°C

La f o m & corrBin y conveniente para enfriar m a m5quina diesel es por medio del sistema de agua circulante con e l que se tiene l a ventaja de que e l flujo de agua puede s e r f5cilmente controlado a f i n de competir con todas las variaciones de carga y con l a temperatura anibiente que se encuen tra bajo condiciones normales de operaci6n. E l caso extremo para una m5quina diesel de gran magnitud ocurre cuan-

do se t r a t a de obtener l a eficiencia &ma, ya que l a temperatura del agua de las chaquetas asciende a sus condiciones criticas. Para este caso especl fico -y para otros casos que veremos despds- s i se e s t 5 manteniendo una raz6n de agua circulante demasiado baja, entonces l a nbquina empieza a sobreca lentarse y esto puede resultar en p6rdida de aceite lubricante con e l consiguiente daiio de 10s cojinetes, pistones, paredes de 10s cilindros, etc. y ade& puede fonnarse bolsas de vapor especialmente en las culatas causan do distorsi6n y agrietamiento en qu e existe e l peligro de agarrotamien

to del pist6n. Pero no solamente es peligrosos e l caso de l a deficiencia de agua pues cuando e l flujo de agua es excesivamente alto, l a temperatura de l a @uinase mantendr5 a un nivel demasiado bajo y no estar5 operando con su m5.xima eficiencia. Para este caso, e l consumo de codustible y de aceite ser5 eleva do, l a @uina no producir5 su mhima carga con l a facilidad que deberla hacerlo, y e l desgaste de las principales partes d v i l e s t a l e s corn cojinetes y camisas sex% innecesariamente alto.

Existe adem5s l a tendencia de m a acumulaci6n d s r5pida de depdsitos de carbdn en m a miiquina f r l a que en m a d q u i n a en que se mantiene su co rrecta temperatura de operaci6n. &be mantenerse como un principio general e l que l a temperatura de un refrigerante se mantenga tan unifome corn sea posible, especialmente en e l punto recomendado por e l fabricante, ya que esto ayuda a evitar esfuerzos en la estructura de l a d q u i n a debido a expansiones desiguales y variantes. L a s diferencias grandes o fluctuales entre las temperaturas de entrada y descarga pueden perfectamente llevar a 10s agrietamientos. La & h a temperatu ra permisible de descarga es limitada no s610 por consideraciones medni cas sino tambien por e l deterioro del lubricante que suele ocurrir a las m5s altas temperaturas de operaci6n. Como ya s e ha dicho, las temperaturas del aceite lubricante excesivamente a l t a s , pmducidas por temperaturas a l t a s de l a dquina son algunas veces l a causa para l a s f a l l a s prematuras de 10s c o j-i netes, y s e debe por tanto asegurarse e l no excederse en 10s limites de temperaturas de agua refrigerante recomendadas. Rara vez l a temperatura de ope raci6n puede exceder 10s 85OC para e l agua de enfriamiento, a1 menos que e xistan previsiones especiales tales corn 10s sistemas presurizados. E l agua de enfriamiento que fluye a traves del enfriador de aceite cuando ha sido aclopado, e s regulada de manera que l a temperatura del f l u

jo de aceite de 10s cojinetes no exceda a 10s 60°C (140°F) apmximadamente aunque para algunas m u i n a s se especifiquen temperaturas considerablemente m% bajas que 6sta. 2.2.2

,

,

CLASES I E AGUAS DE ENFRIAMIENTO

Tan importante corn e l agua de enfriamiento e s ldgicamente su c a l i dad pues esta caracteristica es l a que muchas veces puede afectar en a l t o grado l a operacidn satisfactoria de l a nbquina.

Lo esencial, como es de suponerse, es que e l agua debe s e r limpia, esto es, l i b r e de materias s6lidas que deben s e r filtradas antes de su uso ya que pueden bloquear 10s canales de enfriamiento e impedir l a correcta circulaci6n del agua. Es aconsejable u t i l i z a r agua p m d n t e de corrientes naturales que no han sido contaminadas por desperdicios industriales, aunque e s t a especie con tiene a menudo pequefias cantidades de %cidos que pueden causar corrosi6n en l a s partes de l a d q u i n a o en e l equipo de enfriamiento. E l agua que contiene soluciones minerales es conocida como "agua dura" y debe s e r tratada has-

ta donde sea posible, y cuando no l o es, deben tomarse las seguridades del caso para no tener efectos nocivos por su uso. E l agua dura generalmente proviene de s i t i o s ricos en caliza, donde

las aguas l l w i a s , cuando han corrido sobre e l suelo, han tomado en solu ci6n sales de calcio y magnesio en fonna de bicarbonatos. Subsecuentemente, cuando esta soluci6n mineral es usada en m a m5quina diesel para refrigerartemperaturas de 50 O C o d s , 10s bicarbonatos se deshacen, e l diexido de car bono sale como gas, y las sustancias insolubles corn e l calcio y e l carbonato de magnesio son depositadas en varios s i t i o s formando las bien conocidas escamas o incmstaciones con l a s que estamos familiarizados en calderas 0 sistemas de agua caliente. Con e l f i n de detenninar s i e l agua es l o suficientemente "suave1' como para s e r usada en m a m5quina diesel sin tratamientos especiales, se ha in ventado una prueba simple que da m a apmximaci61-1bruta de l a calidad. Consiste en tomar 4 Onzas (1/4 pinta) de agua de m a muestra de 8 onzas(l/2 pin ta) en un frasco que s e ha de agitar fuertemente con 1/2 onza de jab6n ITquido comercial. Debe producirse m a espuma cuya densidad depende de l a "suavidad" del agua. S i l a espuma desaparece despds de que l a mezcla est5 en reposo luego de 5 minutos, e l agua es suficientemente suave, pem s i l a espu ma es muy fina y no presenta una acci6n continua, entonces e l agua tiene dureza propia y por tanto debe investigarse e l uso de 10s anticorrosivos ade cuados que den usarse con ella. Generalmente hablando, e l agua-llwia recogida directamente y l a mayo rfa de las aguas potables pueden s e r usadas sin demasiado recelo de que de jen depbsitos. Tambien e l uso de sistemas de agua de circuito cerrado reducen a1 mInimo 10s problemas de dep6sitos.

Los sistemas de enfriamiento para rrbquinas de potencias medias y a1 tas pueden clasificarse de l a siguiente Srma:

2.2.3.1

Sistemas de circuito cerrado en e l que l a temperatura del agua puede mantenerse contante rnediante regulacih y en e l que e l tkico incon veniente son l a s perdidas por evaporacien o por fugas. Utilizan dos formas de expulsi6n del calor: 'i)por intercambiador de calor i i ) por radiador - con ventilador '

Sistemas de circuito abierto, en 10s cuales e l inconveniente es la necesidad de 10s grandes volumenes de agua y que pueden ser de tres tipos : i) refrigeracidn de paso, aplicable especialmente en motores mrinos. En este tip0 de refrigeracien se utiliza agua de mar, por tanto l a temperatura no puede exceder 10s 45"C, de lo contrario se favorece las precipitaciones de cal y sales. i i ) Circulacien mediante depdsito elevado. E s t e tip0 es similar a1 an terior pero se utiliza un depdsito para pemitir l a aplicacien en motores estacionarios. i i i ) Torre refrigerante de pulverizacidn, cuya aplicacidn m5s pr5ctica es combinada con un circuit0 cerrado con intercambiador, permiti&dose que solo e l agua cruda pase por 10s pulverizadores

2.2.3.2

.

Para e l caso del circuito abierto, e l agua se toma de l a fuente principal y es bombeada a l a dqyina para e l enfriamiento normal. En vez de per m i t i r que e l agua se desperdicie es llevada hasta un sumidero elevado del cual se pennite caer por gravedad sobre una serie de tablillas de madera,producigndose ma ltociada que es enfriada por e l aire circundante o por l a co rriente de aire producida por un ventilador. E l agua enfriada regresa a1 stvnidero para volver a circular a1 sistema de l a dquina, pero en otros ca sos es directamente bambeada siendo llevada a 10s interenfriadores o a1 intercambiador de calor agua-agua.

De l a misma manera, una alberca de enfriamiento es otra fom del enfriamiento de circuit0 abierto, pero corn es de suponer, e l 5rea requeri da es grande y las perdidas de agua debidas a l a accidn del viento y a l a evaporacidn es mayor que con l a torre de enfriamiento. Adem& cuando e l a guatiene considerable dureza, se debe reunir una cantidad que sea ablandada l o cual permite inconvenientes de toda naturaleza por lo cual e l sistema de alberca ha sido totalmente rechazado en l a actualidad. El caso del circuito cerrado en cambio es aconsejable en lugares donde e l agua es escasa o don& hay dificultades para obtener suficientes canti dades de agua "suave", por l o cual es usado en l a mayor5a de las m5quinas -

diesel de rnediano y gran tamaiio ya que su operacidn es simple y 10s resultados pueden ser fgcilmente controlados. Su combinacidn con e l circuito abier to ha producido excelentes resultados y es ampliamente utilizado en las ac tuales centrales diesel de pequefia y gran magnitud. En e l sistema de dos circuitos se usan dos sistemas de agua llamados:

a "circuito de agua fresca " (fresh water) o agua de camisas, y "circuit0 de gua bruta" (raw water) o circuit0 abierto. Este es un sistema que ofrece

mayores dificultades por su mayor complicidad por l o cual e s t 5 dejando ser usado en muchos t i p s de nuevas ndquinas de generaci6n. 2.2.4

de

SISTEMA DE REFRIGERACION EXTERNO

La f o m m6.s simplificada de l a f~mci6nejercida por e l sistema de refrigeracidn externo en un sistema de doble circuito, con circuito abier to puede sintetizarse como e l de l a Fig. 2.17 en que s e observa claramen te l a constitucidn de 10s dos circuitos b5sicos para e l caso que hemos selec cionado

.

Una boniba, con l a denominacih B1, extrae e l agua caliente de l a s camisas de l a m5quina y l a lleva para su refrigeraci6n a un intercambiador de calor que es enfriado por otro circuito que mantiene en circulaci6n e l agua por l a utilizaci6n de una bomba B2. E l intercambiador de calor es por l o ge neral una unidad tubular confomda por tuberias de cobre encerradas dentrode una a m z 6 n cillndrica de hierro colado (cast iron) o de bronce. E l agua "fresca" caliente, pasa alrededor de 10s tubos por s u parte exterior y el calor s e transfiere a1 "agua bruta" que e s t 5 circulando debido a1 impulso de l a bomba B2 y atravieza l a parte interior de 10s tubos de cobre. Despds de absorver e l calor perdido por l a m5quina, e l agua bruta pasa a l a s torres de enfriamiento para s u inmediato refrescamiento para volver a una nueva circulaci6n. La torre de enfriamiento, por s u parte es una unidad que enfria e l agua por contact0 con e l a i r e y por evaporaci6n de una parte de e l l a . Lo im portante es producir una gran superficie de agua que es pulverizada a1 dejar l a caer en una s e r i e de t a b l i l l o s inclinados y que es ventilada por una co rriente de a i r e natural o a r t i f i c i a l .

El anterior sistema mostrado en l a Figura 2-17~610se complica mediant e l a utilizaci6n de una s e r i e de v5lvulas ccmvenientemente dispuestas , me diante l a utilizacidn de un tanque de expansidn, y con l a intercalacidn de un intercambiador agua - aceite y que sirve para refrigerar por medio del agua bruta e l aceite preveniente de l a lubricacidn de l a s partes en contac to de l a MCI. De esta f o m , e l sistema de enfriamiento externo toma l a con f i g u r a c i h de l a figura 2.18 en que solamente se han aiiadido a1 primer esque ma: tanque de expansi6n, vSlvulas e intercambiador agua-aceite. Este sistema puede tener una aparente complicaci6n solamente cuando se tiene algunas MCI en parelelo en que se lleva e l agua de refrigeraci6n del circuito abierto por ma sola tuberla y es accionada por una sola bomba ha -

cia las torres de enfriamiento. Ih esquema de e s t a naturaleza podemos apreciar en e l ANEX0 #2. que corresponde a l a central diesel de grupos Rouston Paxman de Machala. s Otra de las fonnas bastante utilizadas dentm de 10s s i temas de r e f r i g e r a c i h es aquel que utilizan 10s sitemas de circuit0 cerrado y cuya foma d s simplificada mostramos en l a Fig. 2.19 Como puede observarse, e l agua caliente proveniente del m t o r pasa por una v5lvula t e m s t 5 t i c a a1 radiador en donde e s enfriada por e l sistema deintercarnbiador agua - aire fonado, luego del c u d es impulsado por m a bomba hacia e l interior de las camisas, para efectuar su respectivo trabajo de enfriamiento. Este es un sistema bastante sencillo que no requiere demasiadas complicaciones, y que est5 siendo utilizado dentro del r6gimen de m5quinas de potencia media segu5 habiamos observado en e l capitulo I. Ih esquema completo de este sistema de enfriamiento se muestra en l a Fig. 2.20 y que co rresponde a1 diseiio de un sistema utilizado en 10s grupos General Motors de Houston, Texas, U.S.A.

E l fbjo de agua de enfriarejento requerida en galoneshora, para en

-

friar m a MCI puede determinarse considerando l a cantidad t o t a l de calor que es desprendida bajo m a potencia deteminada. Ih valor promedio para l a mayoria de 10s t i p s de mtiquinas es que e l 15%del calor t o t a l de conhustible Adem5s sabeeventualmente encuentra su salida en e l agua de enfriamiento. ms , m a b m calidad de combus t i ble puede rendi r 19.000 BTU/l b, de

manera que mu1 tip1 icando el peso del cornbusti ble consumido en una hora por 19.00C obtenemos el aumento total del calor a ser absorvido por el agua del sistema. Cada BTU aumenta la temperatura de una libra de agua en 1°P, entonces d i v i diendo el nfimero total de de BTU por el aumento de temperatura que es permi sible en el flujo de agua, se obtendrd corno resultado el nfimero de libras en el flujo de agua, requeridas para el enfriamiento. Dividiendo Lbs/h para 10 nos dard el f l ujo requerido en gal/h (GPH). Se requiere hacer el presente cdlculo para las siguientes condiciones: Estimar la cantidad de agua de enfriamiento para l a mdquina seleccionada que desarrolla 2.750 BHP. El consumo de combustible, de acuerdo a l a Tabla 2.4 es 0,493 1b/GTU-h, y el valor cal6rico del combustible es 19000 BTU/lb. La temperatura de entrada del agua es 160 O F (71°C) y la de sal ida es 180°F (82 "C)

i) Combustible consumido, por hora 0,493 l b 2.750 BHP = 1.356 l b BHP- h ii) Calor t o t a l del combustible, por hora

1-356

ib h

19-000 BT0 ,251759.250 1b

BTU/~

i i i ) Calor que absorve el agua, por hora 25'759,250

x 0,15 = 3'863.888

ETU

iv)

Aumento permisible de temperatura de agua

v)

Cantidad deagua requerida 3'863a888 = 20

193.190

1b/h

= 19.319

GPH

Para l a s condiciones a n t e r i o r e s , l a bomba de agua dllce energiza 19.650 GPH que corresponde a un valor aproximadamente igual a1 que hemos calculado. Corn un segundo paso debemos d e t e m i n a r el f l u j o actual de "agua bruta" que estd absorviendo el calor obtenido por el agua de las camisas. Por la ecuacidn del balance de energfas, tenemos:

2.2.5

DISEfiO DE UNA MATRIZ ALETEADA E l t r a b a j o de diseRo para l a presente tGsis, c o n s i s t e en l a

i n v e s t i g a c i d n de l a rnatriz m5s apropiada para e l r a d i a d o r que va a

reemplazar a1 sistema de enfriamiento por p i s c i n a s e intercambiado r e s de coraza de un grupo d i e s e l estacionario, cuyas p r i n c i p a l e s c a r a c t e r f s t i c a s se muestran en l a Tabla 2.4.

Para e l presente c d l cu

l o disponemos de l a s curvas de Kajs & London, y para 1l e g a r a l a ma_ t r i z apropiada partiremos de datos experimentales que 10s iremos aproximando a 10s que nos dan l a s tablas, con e l f i n de poder u t i l i z a r sus r e s u l tados, 2.2.5.1

CANTIDAD DE CALOR DISIPADO POR EL AGUA TABLA 2.4. COMBUSTIBLE CONSUMIDO POR HORA

PORC ENTAJE D E CARGA

0

25

50

75

,g/BHP- h

-

187.2

166,5

162,8

100 167,7

Considerando que l a maquina debe t r a b a j a r con e l 100% de su cqrga partimos del v a l o r correspondiente de consurno. 167,7

--%

RHP-

x

-

2,205 x

t o - 4 s

=

0,3?

,

Pk

AHP - A

Asmiendo que e l 15% del c a l o r generado p o r e l combustible es d i s i p a do por e l agua, Se tendrfa: 14'532.840 x 0.15 = 2'179.926 BTU/h TABLA 2.5. DATOS DEL COMBUSTIBLE GRAVEDAD ESPECIEICA GRAVEDAD API(60 F) CALOR ESPECIFICO(bruto) CALOR ESPECIFICO(neto)

0.851 9 34,49 19,584 B q / l b. 18,396 BTO/lb.

2.2.5.2.

DATOS PRELIMINARES

Los datos preliminares para el diseko l a s reunims en l a si guiente Tabla 2.6 TABLA 2.6 DATOS PRELIMINARES PARA EL D

Calor a disiparse (BTUfh) Temperatura del agua de entrada Temperatura del agua de sal ida Temperatura del a i r e de salida Temperatura del a i r e de entrada Increment0 de l a temperatura del aire Diferencias de las temperaturas de entrada Presidn del a i r e Cafda de presidn del a i r e Densi dad del a i r e (1b/pfe3)

45OF (25'~) 8 8 ' ~ (31°C) 14.7 psia

La cafda de presidn del lado del a i r e l a calculams mediante l a rela cidn:

-

Los datos dimensionales para l a matriz de transferencia que vams a em plear 10s asimilamos para una matrfz ya construida y cuyas caracterfsticas s e muestran en l a figura adjunta.

TABLA

PARAMETROS

TUBOS

SUPERFICIE

ALETAS POR PULGADA

GEOMETRICOS

ACHATADOS,

RADIO HIDRAULICO Rh (pies)

2.7

ALETAS

CONTINUAS

ESPESOR DE TUBOS AREA DE ALETA 5OR 0 DE ALETAS ( p l g AREA TOTAL p i e /pSe

9REA DE TRANS FERENC I A PORIOLUMEN2TOTAb boo pfe /pfe

AREA DE FLU JO LIBRE P ~ R AREA FfONTAb (@)pie /pie

229

0,697

229

0,697

224

0,788

228

0,788

270

0,780

La matriz correspondiente de l a Tabla 2.7 se denomina "de t u bos achatados, escalonados y de a l e t a s de placa plana" y corresponde a1 t i p 0 9.1-0.737S, De l a misma tabla anterior obtenemos l a c g rrespondiente Tabla No. 2.8 TABLA

No,

PARAMETROS Tipo de matrfz Aletas &&g Tamafio de tubos ( p l g ) Material de aleta Espesor de a1 eta (1) Area superficial ( q ) (lado del aire)pfe 2 /pfe 3 Area de a l e t a por drea total (lado del a i r e ) Area de f l ujo 1ibre por drea frontal ( 0 ) Radio hidrdul ico del f l u j o de a i r e (pfes) Didmetro equival ente del f l ujo de a i r e (plg) (1) Area total de transferencia = 224 Volhen total 2.2.5.3,

VALORES 9.1 -0737s 9.1 0.737 x 0,100 Cobre 0,004 2 24

2 3 /pfe

CALCULOS DEL NUMERO DE REYNOLDS

obtenemos 10s datos bdsicos paA p a r t i r de l a Fig 2.21 ra l a matrfz que hems seleccionado. Una buena aproximaci6n a1 problem es l a de desarrollar 10s cdlculos para un conjunto particular de condiciones en l a regi6n de interGs,y luego, usando l a s tecnicas de l a transferencia del calor, obtener una tabla de rendimientos que podrd s e r usada para seleccionar l a s propor ciones de l a unidad que nos interese.

Por el momento, s e t r a t a de asumir un nirmero de Reynolds que se a cerque l o 1~6s exactamente posible a1 valor real que debe regir el f l u j o de agua del radiador en cuestibn. Este valor el nfimero de . Reynolds asumi do nos servi rd para determi nar de 1a F i g . t . Z 1 un valor que viene a ser:

De donde podemos obtener:

El calor transferido por l a cara i n t e r i o r es igual a la razdn de transferencia de calor dada por e l aumento de l a temperatura del a i r e 6t . ~ s t oes:

4, 1 , A A - r = G C ? . dt

r2.

GI

De donde s e obtiene:

obtenido en

Reempl azando el val or

1 2 . 161 :

"A" es el valor del drea superficial de l a cara de entrada y s e ob 4s

L = 2 2 q ~ - / l 2= tiene: A= lores numGricos para

14

.

Reemplazando 10s respectivos va-

,De l'a Fi'g. 2 - 2 2

-

80,6 = 32,4

96,8-

93,2 = 3,6

GTD = 113 LTD =

Obtenemos:

LMTD =

13

ileernpl a zando en 12-20]

De l a f i g .i?.2f0btenemos :

=

4-500

Con e s t e v a l o r reajustarnos 10s datos i n i c i a l e s

Por l o t a n t o :

qGcp I0 , O f f h

Por tanto:

Reemplazando en

[Z

,

I!?]

:

lo cual corresponde, con bastante aproximacidn a1 valor dado inicia1 mente. 2.2.5.4 TEORIA PARA EL CALCULO DE LAS LONGITUDES DEL FLUJO DE AIRE Para permitir la seleccidn de l a s dimensiones del radiador es necesario construir una tabla que relacione l a efectividad ca16rica como una funcidn de l a longitud del paso de f l u j o de a i r e para una s e r i e de flujos de a i r e (velocidades). Las condiciones para desarrollar gstas curvas l a s establecen Kays & London indicando que debido a que 10s cambios de temperatura en l a regidn f r i a ( a i r e ) c g mo en la regidn caliente (agua) son de por l o menos 20% de la d i f g rencia total de temperatura el performance puede ser representado por una linea recta en estas coordenadas, con poco error. Por tanto, 10s resul tados obtenidos en el cdlculo pueden s e r trazados en una figura (FIG. 21-23 ) en la que es posible trazar una 1 1 nea recta que va del origen hasta el punto determinado por 10s c d l c l los, para una caida de temperatura del fluido cal iente de 12.6/32.4= 0,388 6 sea 38,8%.

Para el caso en que 1a relacidn del f l ujo de a i r e respecto a1 f l ujo de agua s e mantiene constante, el efecto de la raz6n de f l u j o de a i r e en la efectividad caldrica puede determinarse usando la aproximaci6n en l a siguiente ecuacidn:

( Demostracidn en e l Anexo No. 3 ) .

SegQn 6sta ecuaci6n, si l a efectividad s e mantiene constante, l a longitud del paso de f l u j o de a i r e debe s e r inversamente propor cional a l a razdn de f l u j o de a i r e , a una potencia apropiada. Por l a teorfa desarrollada por Kays & London s e obtienen l a s curen l a cual l a pendiente de l a curva para vas de l a FIG. 2.21 llo un f l ujo que estd plenamente en l a regiBn turbulenta es:

(Demostracidn en e l Anexo No. 4) Por tanto, de l a figura a n t e r i o r s e sigue que:

La potencia 0,2 corresponde, como puede verse, a1 valor de la pendiente de l a curva. Para l a s condiciones que nos interesan:cp, Pr, Rh y p son constantes, por tanto:

El aumento de calor t r a n s f e r i d o puede s e r igualados a aquel aiiadi do a1 gas para dar:

Susti tuyendo h de 1a ecuacidn a n t e r i o r :

Ct G qS645, A T = G A$

Cl dt

Para cualquier caso, la diferencia de temperatura AT y el incremento de temperatura d t deben mantenerse constantes, y el area su perficial de transferencia As por unidad de brea del paso de flujo de gas Af es directamente proporcional a la relacidn de longitudes de transferencia y de flujo; por tanto se tiene:

-

La Ecuacidn anterior quedaria:

Para las condiciones determinadas en el disefio se tendrb:

De donde se obtiene:

2.2,5.5.

LONGITUD DEL PAS0 DE AIRE PARA VARIOS FLUJOS

Si asumimos que l a longitud del paso de flujo de a i r e es de 4,5 plg. tendremos:

Para varios valores de G:

2,2.5.6.

CAIDA DE PRESION LA caida de presidn del a i r e l a calculamos con:

SegQn podernos ver, l a caida de presidn del a i r e a t r a v g s de l a unidad v a r i a corm e l product0 del f a c t o r de f r i c c i d n con e l cuadrado de l a velocidad del a i r e G y ya que una rnedida de l a pendiente de l a curva de l a Fig.2.21 rnuestra que e l f a c t o r de f r i c c i d n f r o cae co mo l a potencia -0,44 del nQrnero de Reynolds en l a regi6n de i n t e r & , l a caida de p r e s i d n del a i r e v a r i a r i a corno l a potencia 1,56 de l a velocidad. A p e / r G'L

Por t a n t o :

Ap Z Ap

G

t,r&

. L

= K G ' T ~ L

Re1 aciondndol o con 1a s condiciones

Ape = K

Lo

i n i ci a1 e s :

Go

f7

6-6

Para o b t e n e r v a l o r e s de caFda de presidn c o n s t a n t e :

A p a r t i r de esta relacidn, obtenemos l a Tabla 2.9, la cual nos sirve para trazar l a Fig. 2,23. 2.2.5.7.

SELECCION DE LAS DIMENSIONES DEL RADIADOR Examinando 10s requerimientos del diseiio y aplic6ndolos a la

Fig. 2.23 se puede concl uir que las proporciones deseadas son dadas 2 por la interseccidn de la linea de caida de presidn 0.38 lb/pie con la lfnea de efectividad 38.8% l o cual d6 una relacidn de flujo de 2 5.000 lb/h-pie y un ancho de matrfz de transferencia de 4,6 plg.

Los valores para cualquier o t r o conjunto de condiciones pueden ser ob tenidos directamente de la Fig. 2.23 por un procedimiento similar. El Srea de la cara de entrada puede calcularse a p a r t i r del flujo total del a i r e requerido.

Q = G cp d t

El a1 t o y e l ancho del radiador dependen del espacio disponi ble para 1a i nstal aci bn, per0 estas medi das pueden tomarse aproximadamente i

-

guales para dar una unidad bien proporcionada y resistente. Esto es:

T A B L A

2.9

2.3 2.3.1

SELECCION DEL SISTEMA DE CCklBUSTIBLE CONSIDERACIONESGENERALES

No importa q1.6 tip0 de inyeccidn de d u s t i b l e sea instalado en una dquina diesel. Lo que siempre se debe recordar es que l a funci6n del siste ma de inyecci6n es proveer cantidades pequefias de combustible finamente ato mizado proportional a1 amento & trabajo que l a m5quina requiere hacer, y tambih a1 tiempo de cada inyeccih, con l a mayor precisidn posible. E l equipo que efectGa estas funciones es e l coraz6n de las m5quinas diesel y a 61 se debe su operacidn satisfactoria. Es por tanto, esencial l a limpie za de las llneas en todas las etapas del sistema, desde e l lugar en que se inicia, o sea en e l recipiente de reserva, hasta su transferencia a1 tanque principal de consumo diario y de 61 a1 inyector dentro del cilindro. Las me_ didas de seguridad para m a selecci6n se extienden tanto asi, desde que no se est6 seguro que e l conbustible que se usa es del grado adecuado hasta que no se sepa que 10s operadores pueden mantener satisfactorios lndices de l i m pieza para e l suplemento de volunen. INYECCION E s probable que l a m& importante consideraci6n para m a seleccidn del

sistema de combustible sea e l d t o d o de inyecci6n utilizado para llevar e l combustible a1 cilindro. Los sistemas de inyecci6n de combustible pueden clasificarse en dos grades grupos : inyecci6n por aire ( a i r injection) e in yecri6n sdlida (solid injection). Eh e l primer sistema e l combustible es introducido a1 cilindro por medio de una poderosa rsfaga de aire contra l a presi6n intema de compresi6n, mientras que en e l segundo sistema el conbustibles es forzado dentro del cilindm por medios puramente mednicos. Veremos separadamente cada m o de estos sistemas y estableceremos algunas de sus ven_ tajas para su conocimiento. 2.3.2.1

INYECCION POR AIRE Eh este sistema, m a cantidad regulada de combustible es liberada a1

inyector donde permanece hasta que l a f i v u l a de aguja es levantada por un mecanismo de levas y varillas de empuje. La carga de conbustible es inmediatamente conducida dentro del cilindro por una r5faga de aire que puede 2 Esta presi6n de aitener m a presi6n sobre 10s 1000 psi (70,307 Kg/m ) re contiene l a tobera todo e l tiempo que dura e l funcionamiento de l a m5qui na, pero puede variar de acuerdo a las condiciones de carga: Baja p r e s i h para cargas ligeras y a l t a presi6n para cargas altas.

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I

55 No es nuestro propdsito cmsiderar e l d t o d o de inyecci6n por a-i re en todos sus detalles ya que este sistema ha sido hasta ahora despla zado por e l sistema de inyeccih s6lida que es f i s simple, c o b y 16s econhico en l o que se refiere a consumo de combustible, por lo cual se r 5 e l sistema que seleccionarems para nuestro estudio. 2.3.2.2

INYECCION SOLIDA

Este tipo de inyecci6n puede subdividirse en: 1) Sistema de r i e l corrdrn (corn r a i l ) i i ) Sistema de inyeccidn de resorte (spring injection) i i i ) Sistema de bomba de salto (jerk p q ) SISTEMA DE RIEL COW.- Fin este sistema se usa un principio similar de operaci6n del injector com se describid para l a inyecci6n por aire, pero en vez de tenerse una presi6n de aire constante actuando en e l inyector, e l combustible mismo es mantenido a a l t a presi6n (entre 1000 y 4000 2 psi; 70,307 5 281, 228 Kg/m ). Este sistema tiene una a p l i c a c i h l i m i tada entre m5quinas industriales y marinas de grande y mediano tamaM, y ha sido tambign aplicada con algGn 6xito en dquinas pequeiias de gran ve locidad. SIS'IEMA DE INYECCION DE RES0RTE.- Este sistema es m5s condin de encontrar se en la pr5ctica siendo su caracteristica esencial e l uso de fuertes resortes que actGan directamente sobre e l Pmbolo provocando l a carga de combustible que va a s e r inyectada a a l t a presi6n. Este sistema tambi6n ha sido en l a actualidad campletamente reemplazado por e l d t o d o de inyeccih de l a bomba de salto, pero haremos una corta descripci6n de 61, ya que todavia se utilizan en algunas regimes del pais un gran n h e m de m5quinas que utilizan este principio de inyeccibn

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Una cantidad regulada de combustible es liberada por una bonha con tadora a baja p r e s i h , a l a c h r a de inyeccidn causando l a apertura del conjunto de 6mbol0, incluyendo inyector, resorte y cabezal, que es despla zado a l a derecha. Cuando e l pist6n se acerca a1 PMS, l a p o s i c i h de l a palanca inyectora operada por una exchtrica, se mueve hacia adentro y en gram e l extremo del cabezal del &bolo. Los movimientos posteriores com primen e l resorte del inyector provocando una carga est5tica de aproximadamente 1000 p s i (70,307 Kg/an2) en e l 6mbolo del inyector y por tanto tam bign en e l combustible que es inyectado.

Hasta e s t e punto, l a v5lvula de inyecci6n s e mntiene en e l asien t o por l a accidn combinada de un resorte i n t e r i o r actuando directamen t e sobre l a v5lvula, y de un resorte exterior que ejerce su presi6n a t r a ~ 6 de s una v a r i l l a de empuje y de una palanca acodada. En un punto predetenninado de inyeccidn una prolongacidn de l a palanca de inyecci6n engrana con e l extrem de l a v a r i l l a de empuje, s e a l i v i a l a carga sobre e l resorte de l a vilvula, y l a inyeccidn tiene lugar bajo l a carga estable del resorte de expansi6n. SIS'IEMA DE B W DE SALTO.- En e s t e sistema, cada cilindro e s t 5 provist o de una bomba del tip0 de gmbolo, siendo operada por un mecanismo de levas y resortes de retorno. Los elementos pueden fonnar bombas individuales para cada cilindro de l a m5quina o pueden combinarse formando una unidad integral que es operada por un e j e camCln de levas. La cantidad de combustible liberado por cada bomba e s regulado a variaciones convenientes de velocidad y carga por alteraci6n de golpes del &bolo. Esto puede suceder: i) por alteraci6n de l a s levas que son alzadas por interposici6n de una cuik entre e l 6mbolo y l a siguiente l e va; 6, i i ) disponiendo que e l &bolo tenga una etapa constante, y entonces variando e l punto en l a etapa a l a cual e l combustible liberado a1 inyector sea interrumpido retomando e l chorro al lado correspondiente a l a succidn de l a bomba. Este &todo t i m e l a ventaja de que e l punto en e l cual comienza l a inyecci6n permanece inalterable para todas l a s condi ciones de velocidad y carga, l o cual particulamente sucede por e l gran uso hecho del principio del interruptor variable por l a mayoria de 10s fabricantes de estos tipos de e q u i p s de inyecci6n.

BOMBA DE COMBUSTIBLE C.A.V. - La bomba de inyecci6n C.A.V. e s del ti po de un solo &bolo, de marcha constante, e s decir, un solo 6mbolo se r e quiere para cada cilindro de l a mauina, La bomba puede s e r , sea de unidades individuales montadas para s e r operadas por separado del Srbol de levas, o pueden s e r d i s e a d a s de maneque que e s t h contenidas dentro de una unidad compuesta de "bomba m€iltipleM que tambi6n incorpora s u propio 5rbol de levas accionado desde e l cigueiial de l a m5quina. Cada elemento de bomba consiste de un 6mbolo de precisi6n ensambla do en un b a r r i l i l l o cuyas tolerancias de ajuste son tan precisas que e l &bolo y e l b a r r i l en mchos casos son fabricadas por pares. De l a misma fom, s i por cualquier raz6n 10s elementos de algunas bombas son remvi-

dos a l a vez, debe tomarse muchas precauciones para e s t a r seguros de que 10s &bolos, a l s e r reemsamblados, s e 10s e s t 5 colocando en s u b a r r i l co-

rrespondiente

.

La vBlvula de alivio que es adaptada en e l extremo superior de cada b a r r i l es parecida a una mitra y t i m e un cuerpo cilfndrico con una muesca anular en e l l a . La parte inferior de esta v5lvula tiene cuatro muescas longitudinales comicadas con l a msca anular, y en l a parte superior f o m un pequefio pist6n con un ajuste muy aproximado en l a guia de l a v5lvula. TOBERAS DE INYECCION

La funci6n principal de una tobera de inyeccibn de combustible es atomizarlo de su estado lfquido de manera que pueda s e r rBpida y e f i cientemente quemado en l e cilindro de l a d q u i n a diesel. La atomiza cibn del combustible es un proceso puramente mednico en e l cual 6ste es fbrzado a t r a d s de uno o As pequefios orificios bajo 10s efectos de una elevada presi6n. La subsecuente mezcla de l a s gotitas con una cantidad predeterminada de a i r e es apoyada por varias formas de turbulencia de a-i re, segGn habiamos visto anterionnente en uno de 10s puntos ya tratados. La tobera de inyecci6n m.5~adecuada combina una buena potencia de penetracih con una fina atomizacibn, pero desafortunadamente estas dos funciones no son del todo complementarias. S i l a penetracih es buena , las gotitas por l o general son demasiado grandes como para producir una buena mezcla. Por otro lado, s i l a mezcla es buena, l a s gotitas son demasiado finas corn para provocar una buena penetraci6n. Por este motivo, l a relacibn entre l a atomizaci6n y l a penetraci6n del combustible deter mina en a l t o grado e l tamar?o y e l tip0 de l a m5quina. La Fig. 2.24 i l u s t r a algunos de 10s muchos tipos de toberas de in yecci6n que son utilizadas en muchas aplicaciones. Las toberas con un d o agujero y de tip0 "clavija" son usadas en dquinas equipadas con c5maras de precombusti6n, en las cuales l a carga de a i r e e s t 5 concentrada en e l extremo de l a "carrera", dentro de una pequefia c h r a , en l a parte superior del cilindro. La velocidad del a i r e debe s e r elevada, y las go_ tas de combustible pueden pennitirse ser muy gruesas, dando de todas for mas una buena penetraciiin.

En las dquinas mntadas con h r a s de cambusti6n tip0 abierto las toberas "multiorificio" se utilizan para f a c i l i t a r l a expansibn de l a carga de combustible en toda e l Brea de l a h a r a de cambustibn.

LOB agujeros practicados en l a tobera "multiorificio" pueden ser de tres a siete, de unos 0,006 plg (0,0205 an) de d i h e t r o y hacia arriba, per-

forados en 5ngulos de 20 % 160" cuya amplia variaci6n depende de 10s distintos casos particulares de sistemas de combustih. 2.3.3 SISTEMAS DE COMBUSTIBLE E l sistema de corrbustible de las m5quina.s diesel estacionarias pueden

variar de acuerdo con s u aplbci6n especlfica. Debido a las alternativas , la operaci6n exacta para e l sistema de combustible s6lo puede deteminarse a partir de diagramas y esquemas para cualquier i n s t a l a c i h particular. Sin embargo, l a mayoria de 10s sistemas de cambustible tienen caracterfs ticas b% sicas y pueden, con poca dificultad, s e r aplicadas a l a mayoria de l a s insta laciones

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Un sistema tfpico de corrbustible e s t 5 confoxmado, en su composici6n m5s simplificada, de 10s siguientes elementos: (ver Fig. 2.25)

i) i) iii) iv) v) vi) vii)

Tanque de reserva Tanque de s e ~ c i diario o Medidor de flujo a l a m5quina Filtro de succi6n Bomba impelente Inyector Tuberia de retorno a1 tanque

Las variaciones apreciables del sistema de corrbustible s e l a s observa en e l aspect0 referente a 10s d t o d o s de inyeccien, segCln h a b l m s visto an teriomente, l a s cuales partes, por l o general, de consideraciones referen tes a l a s caracteristicas del cambustible que se va a utilizar. A pesar deesto, para nosotros es muy importante conocer sistemas de combustible en su manera miis completa, motivo por e l c u d adjuntamos las Figs. 2.26/2 7 We GENERAL MYlDRS y representan sistemas de corrbustible de m5quinas

CROSSLEY.(V~~ Anexo 5) En l a prsctica se ha podido observar que, s i n despreciar consideraciones t k n i c a s , e l punto de vista m5.s importante para l a selecci6n de una m5-

quina diesel estacionaria, es e l del sistema de combustible, y dentro de 61, 10s aspectos econ6micos referentes a1 costo i n i c i a l y a1 costo de operacih con un detenninado tip0 de combustible. POr este motivo, y por considerarlo de e n o m inter& l o tratamos m& adelante de una manera m5s detallada. 2.3.3.1

OPERACION DEL SISTEMA DE (33ME3USTIBLE

E l combustible es llevado desde e l tanque de s e ~ c i diario o a trav6s de un f i l t r o de succi6n hacia una bomba impelente que puede estar mntada den -

t m de l a m5quina. E l corrbustible, con su baja presi611, fluye a t r a d s de ma vSvula de alivio a 10 p s i (0.704 Kg/&) 6 15 p s i (1,05 Kg/&) de a cuerdo a1 tipo de rniiquina, pasa luego por otro f i l t r o mntado en l a m u i na, despds por una v5lvula de alivio a 1 p s i (0,0704) , y finalmente a 10s inyectores. Lha p e q u e ~porci6n de este combustible que va a cada inyec tor es bonbeado dentro del cilindro a elevada presi6n. La cantidad de corn bustible inyectada depende de l a posici6n rotativa del 6mbolo a s i como de l a posicih de l a cremallera del inyector y del gobernador. E l exceso de corn bustible no utilizado por e l inyector fluye , en unos casos, a travgs de 61 s i ~ e n d ocamo lubricante y corn r e f r i g e r a t e a l a vez, y en o t m s casos, re toma directamente a1 f i l t r o mientras que l a operacih anterior es efectuada por agua o aceite, o simplemente suprimida. Este exceso de combustible s a l e del inyector y cruza un f i l t r o de retorno pasando por una v5lvula de alivio a 10 p s i (0,704) situada en e l ndiltiple de retorno, luego a trav6s de una v5lvula de r e t e n c i h , y regresa a1 tanque de combustible diario o a1 f i l t r o de succi6n en otros casos. La avula de alivio a 10 p s i restringe e l retorno de combustible y mantiene una presih de retorno en e l combustible. La v5lvula de retenci6n preserva e l f lj o a1 reverso.

Las propiedades que m& influyen en e l sistema de cambustible, y que siernpre debenser tomadas encuenta cuandose t r a t a d e s e l e c c i o n a r u n e quipo diesel, o cuando 61 ya e s t 5 en operacih, son 10s siguientes: i)

VISCOSIIIW, que es una medida de l a resistencia a l flujo, y es expresada en segundos Redwood No. 1 6 2 , y en segundos universales Saybolt (SUS) o segundos Saybolt Furol (SSF) ( k d i d a americana) La viscosidad de 10s corrbustibles crece can l a disminuci6n de l a temperatura, y e s t a propiedad se debe, por tanto, referirse a una temperatura f i j a , siendo l a m5s carrdnzmente usadas 100°F y 50°C (122°F). La mayoria de 10s combustibles tienen ma r e l a c i h temperatura/vis cos idad corn s e indica en l a Fig2-28d es sustancialmente paralela a una de l a s l h e a s in dicadas en ella. Usando e s t a i n d i c a c i h es posible estimar l a relaci6n viscosidad/temperatura de un codustible a una temperatura f i -

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ja. Algunos crudos que cantienen una cantidad elevada de parafina,no e s t h sujetos a estas curvas, a temperaturas menores de 110°F (43,3"C) La solidificaci6n de l a parafina a bajas temperaturas tienen e l efec-

to aparente del a l t o incremento de viscosidad del cmdo. ii)

GRAVEDAD ESPECIFICA.

Es importante solamente respecto a l a selecci6n

del tamaiio del disco purificador por gravedad, y en l a conversih de volumen a peso de combustible. Los combustibles destilados tienen una GE de aproximadamente 0,83, mientras que l a GE de 10s combustibles pesados puede variar entre 0,92 5 0,98. Los combustibles de algu ms partes del mundo tienen una GE que puede exceder a l a unidad. iii)

VALOR CALORIFICO. Una MCI puede u t i l i z a r solamente e l contenido de calor net0 de conhsfible, y 10s pmveedores facilitan curvas stan -

dard de consum de ccmibustible relativas a un valor caldrico neto. Es generalmente 18.000 B?U/lb para cambustibles clase A, y se reduce con e l incremento de l a GE a 17.200 B?U/lb aproximadamente para un c o ~ l i b ~ tible realmente pesado. N6tese que l a mayoria de 10s combustibles son suninistrados en base al volumen, y que e l valor cal6rico en t6rminos de BTU/gal netos, es alrededor de 153.000 para combustible clase A aumentando a 170.000 para unos clase G. Mientras e l valor ca16rico de un combustible pesado es m5s bajo que e l del conbustible destilado, e l c m u n o especlfico de combustible de una m5quina que usa un combustible pesado ser5 mayor que l a relaci6n de 18.400 dividi do por e l valor caldrico del combustible pesado. iv)

RESIDW DE CARBON. (Valor de Conradson) Es l a proporci6n de una muest r a que ha quedado en un equipo especial de pruebas, despds que l a muestra ha sido calentada con suplemento de a i r e restringido, has t a que todos 10s constituyentes vol5tiles h a . sido evaporados. La pmba mi% ampliamente usada es l a prueba de Conradson, y e l rango de valores va desde 0,1% para ccmibustibles gaseosos hasta 14 6 15%para combustibles residuales de base a s f a t i c a . Esta pmeba da una indica ci6n muy rigurosa de l a tendencia del combustible a fonnar dep6sitos en l a chars de combusti6n.

v)

CONTENID0 DE CfNIZAS. Es l a porci6n completamente incombustible del residuo que queda despds de que todos 10s canstituyentes vol5tiles han sido evaporados, y cansiste principalmente de silicates, 6xidos de hierro y sales de sodio y vanadio. La presencia de cenizas es indesea ble ya que un a l t o contenido de e l l a pwde llevar a un correspondiente a l t o porcentaje de desgaste de ciertos componentes ,& l a m5quina. El contenido de cenizas en combustible residuales puede aproximarse al' O,Z%.

vi)

CONTENIDO DE AZUFRE.

E l contenido de azufre de 10s conibustibles

l a combustih, cambia a didxido y tridxido sulfuroso.

Ellos por

en si

solos son inofensivos , pero s i s e conbinan con e l agua producida por l a combusti6n del hiddgeno, forman 5cidos sulfuroso o sulffirico. E-s to s e puede prevenir usando temperaturas de agua de chaquetas bastant e elevadas y pennitiendo conbustibles con contenido de azufre del 3,5% a s e r sucesivamente quemados.

vii)

E l agua y e l contenido de sedimientos de 10s c o d u s t i b l e s residuales,

son generalmente elevados y por constituirse en contaminantes deben s e r removidos antes de s e r usados en una m5quina. E l d t o d o aceptado para hacerlo e s e l de 10s separadores centrifugos que reducen 10s nivel e s de agua y sedimentos a aquellos propios de 10s conbustibles clase A.

Aunque a estos combustibles no l e s p r e s t a m s mcha atenci6n debido a que su uso en nuestro medio es a nivel cero para m%quinas Diesel, e s necesario por lo menos tener conocimiento de s u existencia. E l gas natural comercial e s l a principal fuente de conbustible u t i l i z a do por las &uinas a gas, amque muchos otros t i p s de gases son u t i l i z a dos. Esto incluye gas natural "refomdo", gas natural carburado, gas de a gua carburado, varios otros gases manufaturados y gas de alcantarilla. S i l a utilizaci6n y factores de costo no son considerados, l a s IT& importantes carac terlsticas de 10s combustibles gaseosos son: valor caldrico, aumento de a i r e requerido por l a cambustidn, propiedad antichoque , tendencia de encendido de superficie y cantidad y naturaleza de impurezas. 2.3.4.2

COMBUSTIBLES DESTILADOS

(Tabla 2 .I9

L a s a u i n a s diesel de a l t a velocidad y un gran nGmero de m5quinas d i s e l de velocidad media usan combustible destilado que ha sido producido en e l rango de ebullicidn de 350 F (176,7 C) 5 750 F (398,9 C) y es frecuentemente refe ride corn un lldestilado medio". Los combustibles pildto usados para m5qui nas de doble combustible e s t h tambien en e s t e rango. Los combustibles del rango de d e s t i l a c i h medio van desde kerosene 6 conbustible diesel No. 1 a1 pesado No. 2. E l rango de combustibles pesados e s tanbi6n usado para propdsitos de calentamiento dependiendo de sus caracteris ticas.

Los kerosenes y 10s c d u s t i b l e s diesel No. 1 todos son generalmen te "straight run". Los combustibles diesel No. 2 son generalmente una mez cla de "straight runf1y "cracked stock", o m o de ellos, La mayoria de 10s fabricantes de Aquinas y 10s usuarios especifican 10s requerimientos de 10s d u s t i b l e s para s u uso., y generalmente concentran su inter& en e l nirero cetano, en l a forma de d e s t i l a c i h y en e l pmto de fluidez, Corn existe una amplia variaci6n entre 10s requerimientos individuales, l a ASTM (American Society for Testing and Materials) ha publicado m a guTa bastante G t i l t i t u lada '!Requerimientos limitantes para combustibles Diesel", cuyos detalles s e muestran en l a Tabla 2 .I4 transcripts a continuaci6n.

Luego de que s e ha separado e l combustible destilado y l a s fraccio nes de aceite lubricante del petldleo crudo, e l producto sobrante es clasificado corn residuo. Este residuo es e l mayor componente del c d u s t i b l e r e sidual. Ikbido a que 61 no ha podido s e r convertido a un producto de ma yor grado, ha sido m producto de bajo costo por muchos afios , adem% de que , ha encontrado un f 5 c i l mercado en equipos marinos, corn combustible para m5quinas diesel de poca velocidad y corn combustible de calderas, y tambien en plantas estacionarias donde e l bajo costo del combustible j u s t i f i c a e l gasto adicional de tratamiento y manejo. Como las t6cnicas de r e f i n a c i h han sido mejoradas, m 5 s de 10s cornponentes deseables han sido extrafdos de l a s por ciones pesadas del crudo, con una resultante reducci6n de l a utilidad del pe sad0 o residual

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Los combustibles tip0 residuales varlan ampliamente en composici6n de pendiendo especialmente de l a procedencia del crudo, e l grado de fracciona miento y e l aumento de azufre, adem% de materides p a r a f h i c o s y contaminan tes presentes. En l a Tabla 2.10 s e han detallado 10s requerinientos para t a un les combustibles desde un No. 4 que es usualmente m residuo ligero, a bunker pesado tip0 No. 6. Pr5cticamente todos 10s combustibles residuales son mezclas de residuos pesados y llcutter stock" (combustibles ligeros) con el f i n de reunir 10s requerimientos de las m% variadas clasificaciones. Las caracteristicas de mayor inter& para e l usuario son: viscosidad, gravedad especf fica, punto de fluidez o fluidez y contenido de azufre. E l e q u i p mezclador es universalmente utilizado para entregar l a viscosidad requerida,mientras que l a gravedad especifica, e l pmto de fluidez y e l contenido de azu fre, reflejan l a procedencia del crudo y e l proceso realmente no es ajustable.

9 refinamiento,

l o cual

Los usuarios de combustible residual para muinas diesel, deben pro

-

-

veerse de facilidades de calentamiento tanto corn de clarificadores y/o f i l tros para producir un conbustible limpio, y de viscosidad apropiada para 10s inyectores La figura 2 . 2 9 mues t r a un sistema simple de precalentamien to para proveer e l calor a1 sistema de combustible residual, y l a Fig. 2.30 indica 10s rangos necesarios para e l bombeo, centrifugaci6n e inyecci6n.

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2.3.5

SELECCION DE UN COMBUSTIBLE DIESEL

Corn ya sabemos, l a s m5quinas diesel e s t h bre un grado especffico de combustible con e l f i n miento. Por e s t e motivo e s que siempre se indica comendado para 10s modelos que s e fabrican, y que tablas 2.10/11 de e s t a secci6n.

disefiadas para operar sode obtener s u k i m o rendi e l tip0 de combustible repuede e s t a r incluido en las

E h una f o m general,la

velocidad de l a m5quina determina e l tip0 de &nbustible m% apropiado para su uso. Lo m% importante e incluso sensitiw para l a m5quina es l a velocidad, e l # cetano y otras caracterfsticas m% que veremos despds, Las caracterfsticas del conbustible e s t h interrela cionadas y ninguna de e l l a s puede s e r usada por separado para definir l a calidad o rendimiento de un combustible. Las caracteristicas m& iqmrtantesafectan a1 rendimiento de l a m5quina son l a s siguientes:

&

i) Fluidez i i ) Viscosidad de inyecci6n i i i ) Caracterfsticas del rocfo y su viscosidad iv) Minnero cetano (Iktenninaci6n) v) Indice cetano vi) Indice diesel vii) Gravedad y separaci6n del agua viii) Gravedad y valor t6nnico ix) Corrosi6n x) Composici6n del combustible ) Cumbustibles piloto. 2.3.5.1

FLUIDEZ

LJn combustible diesel debe s e r bonbeable a l a s & bajas temperaturas a que puede e s t a r expuesto. E l flujo es f~mci6nsea de l a viscosidad, del pun to de fluidez, o de una combinaci6n de ambos. En 10s combustibles TI& l i v ia nos, l a parafina presente tiene 10s mi% graves efectos sobre l a fluidez a ba jas temperaturas. E l punto de oscuridad del conbustible indica l a temperatu ra a l a cual 10s c r i s t a l e s de parafina empiezan a fonnarse, y bajo esta tem-

peratura, 10s f i l t r o s empiezan a obstmirse. Algunos tipos de aditivos modifican l a e s t n r t u r a de l a parafina y penniten que pueda fluir con mayor faci lidad, aunque con ciertos efectos para e l punto de oscuridad. E l componente parafinico est% generalmente en 10s combustibles n$s pesados, y cuando se jus_ tifica, pueden s e r refinados para eliminar l a mayor porci6n de e s t e componen te

.

Los combustibles residuales tienen frecuentemente puntos de fluidez so bre l a temperatura ambiente en l a cual deben s e r manejados. Nuevamente preva lecen l a parafina y/o l a viscosidad. Tales combustibles requieren lor para poder ser bombeados. Pn l a Fig. 2.30 l a relaci6n de viscosidad a temperatura ha sido trazada para muchos corobustibles entre e l ASW t4, t 5 y t6. La tabla indica e l limite de viscosidad para bombeo f s c i l , buena centrifugaci6n y bue na inyeccih. Los datos representan combustibles tipicos. Los datos para combustibles no indicados en l a tabla pueden s e r fScilmente determinados t r a zando una linea paralela sobre una viscosidad conocida. 2.3.5.2

VISCOSIIMD DE INYECCION

La viscosidad del combustible que s e dirige a 1 inyector e s l o m5s i m portante para obtener una buena atomizaci6n y penetracih, l o cual tambi6n es importante para obtener m a apropiada lubricaci6n del inyector y para mini mizar e l goteo. La h i m a viscosidad deseable para un combustible destilado es qroximadamente 32 SUS (Segundos Wiversales Saybolt) a 100 F (37,8 C ) (Para medidas correspondientes a otras unidades de viscosidad, ver ANEX0 6

.. en e l apendice).

Los corobustibles usados en ndquinas diesel de a l t a y mediana velocidad, no deben exceder de 40 SUS % 100 F para s u mejor rendhiento Las m5quinas diesel lentas y de velocidad media inferior pueden manejar visco sidades de 50 5 100 SUS y obtienen un trabajo s a t i s f a c t o r i o de sus inyectores.

La s e l e c c i h de un combustible o l a viscosidad apropiada e s importante no s6l0 por s u relaci6n con e l bombeo e inyecci6n, sino tambi6n en e l proceso de corobusti6n. Ya que l a viscosidad controla e l tamaiio de las gotas, gg bierna tambi6n e l grado de atomizaci6n y penetracidn del rocio de corobustible qw en su momento son 10s mayores factores en l a obtenci6n de l a m z c l a necesaria de a i r e a combustible, esencial para l a misma combusti6n. La distancia que penetra e l combustible dentro de l a c h r a depende del t&o de l a s go tas. Cuando un corobustible e s demasiado viscoso, no puede lldesmenuzarse" an tes de tocar l a s paredes del cilindro que s e mantienen a una temperatura cam_ parativamente menor, y l o que probablemente se obtiene es humo. Por otro la-

do, un combustible muy ligero no puede penetrar suficientemente corn proveer l a mezcla apropiada de a i r e y c d u s t i b l e .

para

pequefia, necesita un mnor grado de peneMientras una m5qLlina es traci6n En consecuencia, las a u i n a s miis grandes pueden manej a r un corn bustible d s viscoso con mejor resultado que una p e q u e ~ . En l a s que tienen c h r a s de precorrbustih separadas, e l roc50 debe s e r comparativamente d s corto, y por tanto, son deseables 10s combustibles m& ligeros.

.

winas

Con inyecci6n de a i r e s e puede usar un cambustible mSs viscoso ya que el aire ayuda a l a atomizacih. Las toberas t'multiorificio" pueden usar un combustible m5.s pesado que aquellas que tienen uno solo, ya que existen I& posibilidades para "de~menuzar'~ e l c d u s t i b l e . Una m5quina que u t i l i z a una alta presi6n de i n y e c c i h puede usar un corrbustible ligero ya que l a p r e s i h extra aumenta l a penetraci6n de las gotas. Para obtener l a atomizaci6n apropiada del c d u s t i b l e residual, e s necesario precalentar e l combustible. E l aumento de -lor aplicado debe s e r su ficiente para reducir l a viscosidad bajo los 100 SUS en e l punto de inyeccih Esto puede requerir temperaturas tan a l t a s corn 250 F e incluso mayores.

E l n h r o cetano es l a medida de l a calidad de encendido de un codustible, l o cual debe s e r l o s u f i c i e n t e ~ n t ea l t o corn para a s e p r a r e l arrani que y l a combusti6n apropiada. Influyen en e l n h e r o cetano reqwrido, e l dsefio de l a d q u i n a , l a carga, l a velocidad, a s i corn las condiciones atmosfericas. E l valor de un n h r o cetano superior a1 que s e requiem para una operacih adecuada, no me j ora e l rendimiento de una nbquina, ya que no t i e ne r e l a c i h n i con l a potencia n i con e l consumo de combustible. E l autoencendido de un corrbustible en una m5quina diesel ocurre cuando

es inyectado en l a c a r p de a i r e caliente y altamente comprimida. S i h ternperatura de l a carga de a i r e no es suSicientemente a l t a para que ocurra e l e encendido, l a m5quina no arranca n i s e encimde. Pero cuando esa d q u i n a t i ne un a l t o n h e r o cetano, s e acorta e l retrazo del encmdido y s e f a c i l i t a , por tanto, e l arranque. Una disminucih en l a temperatura del a i r e de entra da disminuye l a temperatura de l a carga de a i r e comprimido, y se podria a l canzar un punto donde l a temperatura es tan baja que no se podrla encenderel combustible , y en consecuencia no habria arranque. Mientras que e l n h e r o cetano es importante en e l arranque de l a ndqui-

na, E l por sf solo no es e l h i c o factor. Eactores tales corn relaci6n de compresi6n, temperatura de chaquetas de agua, disefio de l a c b r a de cod~ustih, caxacterlsticas de l a s gotas del rocio, velocidad del cigueiial y condiciones generales pueden tener m a influencia igual e h c l u s o mayor en e l arranque

.

Eh m5quinas diesel de a l t a velocidad, se requiere un encendido retra-

zado para prevenir golpes y h m en las cargas ligeras. Por tanto debe usar se en l o posible combustibles con a l t o nfhero cetano. DETERMINACION

Para su determinaci6n usamos e l d t o d o de l a AS?M clasificado corn D613 y que l o han denominado C A L I M CE ENCENDIDO IE OOMBUSTIBLE DIESEL POR EL METODO CETANO e l cual incluims en l a tabla 2 .I2 a continuaci6n y que es utilizado para combustibles destilados

.

E l valor t6rmico de m combustible es m a caracterlstica importan ,te que es t 5 relacicmada a .su gravedad especf f i c a y gravedad API

-

.

Gravedades API livianas o pesadas (tales camo 1 -D y 2-D de l a tabla IV) tienen 10s & altos valores t6rmicos por l i b r a de combustible e inversa mente, e l menor valor por g a l h . Ya que un inyector es m implemento mlfhePor tanto, hay m5s e trico, 10s BTU/GAL son m5.s &cuados que 10s BW/ lb. nergla en e l menor rango de gravedad API con m correspondiente incremento en la econoda. La r e l a c i h entre gravedad API y los BTU contenidos, de va rios cambustibles, s e muestra en l a tabla 2.13 -

Mientras debe reconocerse que l a menor gravedad API tienden a producir m5s potencia debido al incremento contenido en 10s BTU/GAL, tambi6n &be reconocerse que e l arranque s e d i f i d t a , debido a1 bajo valor cetano de 10s m5.s pesados combustibles a m d t i c o s , y en ciertas nbquinas s e produce humo cumdo la gravedad API e s demasiado baja. Adem&, 10s dep6sitos y e l desgaste s e au mentan s i e l contenido de azufre y 10s residuos de carb6n de t a l e s cambustibles es alto. E l uso de m a mejor calidad de lubricante puede s e r necesariapara compensar estas caracteristicas de tales combustibles. 2.3.5.6

RESIIKK) DE CARBON

go de que e l combustible se ha quemado, es indicative de l a tendencia aglome E l a w n t o del residuo de c a r b h que es e l r e s i h o

r e m e n t e lue

rante del conhustible. Este residua &be ser tan bajo corn sea posible para minimizar l a tendencia de 10s depdsitos de c a r b h que se forman en l a &ma ra de combusti6n y en l a punta de 10s imyectores, l o cual interfiere a una

buena atomizaci6n. Los combustibles destilados tienen m y baj o porcenta jes de residuos de carb6n 10s cuales es& en e l orden de 0,3% en un 10% de residuo. Para obtener una aproximaci6n razonable, 10s combustibles destilados son medidos en e l 1/10 restante del t o t a l , luego de q w 10s 9/10 han sido ~~qmrados.Por tanto.. un valor de 0,3% en e l 10%de residuo es apmximada mente e l 0,03% del t o t a l de conbustible. Los combustibles residuales contienen en e l or&n de 5 5 15%de resi duo de carb6n. Este tip0 de combustible puede s e r utilisado en ndquinas gran des de velocidad media con inyectores apropiados, de acuerdo a 1 disefio de l a m5quina. 2.3.5.7

CORROSION

Como ya conocerns, e l azufre puede aparecer en 10s derivados del pe tr6leo de muchas f o m s . La mayorfa de las formas de campuestos de azufre

-

son enteramente inertes, inofensivas y no corrosivas tanto corn e l l a s se pre-

.

aentan en cantidades razonables Sin enbargo, ciertos tipos de combustibles de azufre encontrados en combustibles pobremente refinados , son perjudiciales a1 menos que l a cantidad en que esten presentes sea Infima. Un corto perFodo de operacih usualmente indica a 1 ingeniem s i e s que e l azufre presente en el combustible es muy cormsivo. E l azufre puede causar corrosi6n s i e s qtle las temperaturas de chaquetas son tan bajas que e l agua de l a combusti& s e condensa en l a s paredes de

el cilindm durante l a operacih. E l azufre s e quema para transformarse en dioxido s u l h s o que a su vez s e disuelve en cualquier cantidad de agua presente para formar 5cido sulfuroso que por s u a l t o poder cormsivo puede cau sar un r5pido desgaste del cilindro.

En dquinas de velocidades lentas y medias y gran carrera del pist6n pueden manejar combustibles residuales con bastante azufre, neutralizando 10s 5cidos pmducidos bajo operacih normal, lubricando separadamente 10s c i l i n dros con un aceite altamente alcalino y especial para estos casos. En m5 quinas de a l t a velocidad s e combate e l desgaste cormsivo en l a s seccio nes de potencia, por e l uso de un aceite para c i g u e ~ de l tip0 alcalino. Aden& del azufre, otros materiales t a l e s camo e l vanadio y e l sodio

contenidos en e l c o d u s t i b l e residual, son causas tambi6n de corrosi6n en diferentes partes de l a m5quina. La remci6n de t a l e s materiales es desea ble aunque no siempre resulta econ6mico. Por e s t o es que s e prefiere aiiadir ciertos compuestos a1 combustible residual l o cual l e ayuda a contrarrestar 10s efectos corrosivos de 10s elementos antes citados. 2.3.6 FACI'ORES DEL COST0 DE OPERACION 2.3.6.1 G E N E R A L m S hablams establecido anteriormente, uno de 10s factores de mayor importancia para l a s e l e c c i h de una m!Zquina diesel, l o constituye e l sistema de combustible, y dentro de 61, todo l o relacionado con e l tip0 de conhustible utilizado, consumo y costo de operacih. A & de esto s e debe considerar que, dadas l a s ventajas que producen 10s nuevos disefios de d q u i nas, es posible tomar en consideraci€m, para l a s e l e c c i h , todos aquellos disefios agruphdolos en dos secciones : Camo ya

1) Los que u t i l i z a n combustibles destilados ii) Los que utilizan combustibles residuales. \ -

Por e s t e motivo es que nosotros harems un estudio desde estos dos pun tos de vista, y establecerems 10s resultados, solamente corn un h d i c e primordial para cualquier posible s e l e c c i h . Para e l l o tomarems com modelo l a Central T6mica de l a Empresa Electrica "El Orow, cuyos datos nos han sido gen tilmente concedidos y que 10s utilizamos de l a manera m5s generalizada posible. Apesar de que, para un caso similar a1 presente, s e &be trabajar con indices de generacih de varios meses, e incluso aiios, nosotros, por t r a t a r s e solo de un caso demostrativo- trabajaremos con 10s datos referentes a1 mes de Abril de 1975 que tiene l a ventaja de s e r e l mes de mayor demanda en e l aiio, y que adjuntamos en l a tabla 2.14

E l consumo de combustible durante l a s pnaebas hechas por 10s fabrican-

tes de m u i n a s diesel es medido en lb/BHP-h, usando un tip0 especifico de combustible. Las cmversiones de estas unidades a otras t a l e s como BTU/Kh'H 6 GAL/m5quina-h, o para otros tipos de combustibles puede s e r desarrollada de_ bid0 a1 contenido cal6rico de 10s varios combustibles tanto como 10s diferentes m6todos de loratorios usados para medir e l contenido cal6rico. E l valor calBrico superior de un combustible e s e l calor en BTU pro&-

cido por l a combusti6n completa de una muestra e incluye e l calor descargado por e l vapor de agua e l cual es condensado. Sin aparatos de recuperaci6n de e l calor perdido, 10s BTU producidos por l a condensaci6n del vapor de agua no son dispmibles para hacer trabajo C t i l en l a m5quina ya que son llevados a l a atm6sfera. E l valor cal6rico i n f e r i o r de un corbustible e s e l calor producido por

la conbusti6n de una muestra s i n considerar e l calor pmducido para condensar e l vapor de agua. E l valor cal6rico inferior e s e l aumento de B'IU dispo nible para hacer trabajo C t i l en l a miiquina (Tabla 2.19 La f 6 d a usada para convertir de una medida a o t r a e s corn sigue:

Esta f 6 d a no puede s e r usada para calcular l a diferencia en e l consuno resultante de usar diferentes gravedades de combustibles. Esto s e de be a que 10s diferentes clases de combustibles tienen diferentes eficien c i w de ccnnbusti6n.

E l costo de generaci6n de una m5qina diesel puede determinarse f k il mente a p a r t i r de 10s datos de costos de 10s elementos que participan directamente en l a obtenci6n de l a energia entregada par una Central a l a s a l i -

da de l a subestacidn, y que son: i) ii) iii) iv)

Costos de consum de combustible Costos de mano de obra por aperaci6n Costos de mano de obra por mantenimiento Otros gastos.

Los datos de consumo de conbustible s e obtienen de l a Hoja de Generaci6n ( A H E X O 7 ), mientras que e l resto de datos s e obtienen de las procesadoras de contabilidad S e a esto, e l costo de generacih de una Central cualquiera s e calcula de l a siguiente fonna:

.

TABLA 2.14 #

1 2

03STO

RlJBRO

Mano de obra por operaci6n Mano de o b r a p r mantenimiento

$

133.136.10 51.669.91

3

Costo t o t a l de combustible

$

446.712.42

4

Otros gastos

"

140.687.61

Otms datos que se debe t e n e r en c o n s i d e r a c i h son:

. . . . . . . . . . . . . . 6.432 Kw . . . . . . . . . . . . ..2 ' 149.400 KWH . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.525 " . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 ' 126.875 " . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 ' 126.875 " ................ 720

Capacidad instalada (Potencia Nominal) Ulidades generadas (Generaci6n Bruta) GmsurnopropiodelaCentral. Generaci6n n e t a t o t a l Energia t o t a l d i s p i b l e Horas de funcionamiento a1 mes Con l o cual tenemos : a) Factor de Planta FP:

b

Generaci6n Neta Total x 100 Potencia Nominal x Horas de Funcionamiento

-

b) Los KW usados son:

Capacidad x F.P.

Entonces, 10s f a c t o r e s del costo de generacibn se calculan con l a siguiente f 6r

mula: F. C. # =

Factor (sucres) KW usados x 720 horas

i ) Factor de costo de o p e r a c i h : FC1 =

133.136,10 sucres 3.795 KW x 720 H

-

0,0488 sucres /KWH

--

0,0188 sucres/KWH

ii) Factor de costo de mantenimiento :

FC2 =

iii)

51.669.91 sucres 3.795 x 720 KWH

Factor de costo de c o d u s t i b l e : FC3=

446.712,42 sucres 3.795 x 720 KWH

-

0, 1636 sucres/KWH

correcta, ya que 10s costos son en distintos lugares, puede llegarse a t e ner un ahorro tan apreciable que s i merece l a pena prestar l a debida aten ci6n a1 asunto, a pesar de que reci6n en 10s filtimos afios se ha despertado e l debido inter&. En l a tabla que a continuaci6n s e presenta, s e t i m e un an5lisis t i pi co comparativo de 10s dos tipos de combustibles en cuesti6n.

Tabla 2.1 6 AWLISIS TIPICO COMPARATIVO

CARACTERISTICAS

RESIDW

DIESEL 36, o 42 SUS 180 F 10

BTU/Gal

19,8 1.350 SUS 195 F 40 l,o % 0,9352 147.800

Costo/Gal

$ 2,45

Gravedad API Viscosidad (a 100 Frash point Pour point Azufre

G.E.

2.4

I;)

'\

-0,8448

$ 2,94

SELECCION DEL S I S M DE ARRANQUE

2.4.1

METODOS DE ARRANQUE Lha MCI, a diferencia de una m5quina de vapor, no es autoencendible, m tivo por e l cual est5 provista de algunos medios externos para dar a1 cigueiial un impetu i n i c i a l para empezar e l ciclo de trabajo. Los d t o d o s m5s c o b mente empleados son 10s siguientes: i ) Arranque manual i i ) Arranque por motor electric0 i i i ) Arranque por a i r e comprimido 2.4.1.1

ARRANQUE MANUAL E l d t o d o de arranque manual es e l m5s generalizado para e l encendido de

m5quinas pequeiias ya que es barato, simple y no requiere de l a utilizaci6n de equipo adicional como en e l caso de 10s otros d t o d o s . Clam est5 q w requiere de alguna f o m de incrementar l a compresih hasta que e l cigueiial alcance l a

velocidad de arranque

, per0

una vez que se ha logrado l a velocidad requeri-

da, existe un mecanismo que indica l a f i m a compresi6n que provoca a su vez e l encendido inmediato. En algunas ocasimes se arregla de t a l for ma que e l disparo en l a compresi6n k i m a se efecttk autom5ticamente por un mecanism luego de que e l ciguefial ha logrado unas pocas revoluciones, de ma nera que e l operador puede obtener un gran esfuerzo de arranque. 2.4.1.2

ARRANQUE POR bl3lQR ELECI'FUCO

Originalmente, e l arranque por motor electric0 fue confinado a pequeSus ventaj as iias dquinas diesel, per0 ahora nuevamente s e ha generalido se encuentran en su conveniencia, simplicidad de operaci6n y por sus altasvelocidades de operaci6n que son realmente apreciables, mientras que sus des ventajas e s t h en l a introduccih de baterlas que requieren de mantenimiento y considerable atenci6n s i e s que s e desea mantener una a l t a eficien cia de trabajo.

.

Los principios involucrados son exactamente iguales a 10s utilizados en las d q u i n a s de 10s vehiculos convencionales. E l m t o r de arranque tiene un pequefio engranaje en s u e j e , que encaja con un a n i l l o engrasado del vo lante de l a ndc&na. Para engranar estos dos mecanisms s e utilizan variosdtodos, como por ejemplo, por medio de un resorte roscado, cuyo acoplamiento entra en juego con e l resorte de arranque debido a l a inercia de l a armadura, cuando ha empezado a girar. Otros tipos de m t o r e s tienen l a annadura rebajada axialmente de manera que, cuando l a corriente llega a g l l a , hay un golpe de desbalanceamiento que hace que l a a m d u r a entre en juego. E s usual que e l devanado de l a a m d u r a sea an forma de dos bobinas en serie, una para hacer funcionar e l motor suavemente, hasta lograr e l acopla miento, y e l otro para s e r operado por un contact0 que permite e l &imo tor que a s e r aplicado una vez que s e ha logrado e l acoplamiento. Cuando l a m5 quina se enende, e l engranaje s e desencaja y un interruptor quita e l circui to de arranque.

2.4.1 .3 ARRANQUE POR AI RE COMPRIMIDO E l d t o d o I&S condin para arrancar grandes m5quinas diesel e s por medio de aire comprimido que e s insuflado dentro de 10s cilindros a trav6s de un jue-

go separado de vfilvulas, o que acciona un motor de a i r e que e s t 5 engranado dl volante de l a m5quina. E l esfuerzo de arranque necesario desde l a baja pre si6n de a i r e a que s e encuentra e l cilindro, es realmente considerable. Porde ejemplo, l a carga sobre un pist6n de 8 3/4 plg de d i h e t r o es alrededor 2 7 tons. cuando s e usa a i r e a una p r e s i h de solo 250 p s i (17.57 Kg/cm ) cum -

do se usa motor de aire, y de 350 psi (24,5 Kg/cm2) cuando se inyecta aire , pen, no se experimenta ninguna dificultad cuando se tiene e l conveniente e quipo de aire de arranque, con e l cual, l a myorfa de las m5quinas diesel prodwen en muchos miles de HP/cil. Una ventaja especial es que no se requiere ningih equipo elgctrico, y la h i c a m5quina auxiliar necesaria es m pequefio grupo de compresores que pueden ser f5cilmente manejados desde l a m5quina principal por medio de una correa, o por ma pequek m5quina auxiliar. S i n embargo, 10s sistemas son a daptables para u t i l i z a r corriente electrica de m a forma indirecta, cuando se est5 utilizando m motor el6ctrico para accionar e l compresor, en cuyo ca so, 10s switches de presi6n pueden s e r dispuestos para hacer que e l proce so de carga sea un proceso puramente autonbtico. Algunas dquinas lentas (de baja velocidad) e s t h diseiiadas para trabajar con m grupo completo de compresor adicianal, para lo cual se u t i l i za un sistema de carga inversa, en donde, luego de que l a dquina ha arranca do y est5 en funcionamiento correcto, se corta e l f l u j o de combustible y e l pist6n rec'lproco, utilizando l a energfa cin6tica del wlante de l a dquina , desplaza aire a l a jnversa del cilindro de aire en e l cilo de compresi6n. Lue go de un niinero determinado de rewluciones, l a v5lvula de carga es c e r r a d a , ~ l a m5quina vuelve a readmitir combustible por un corto perfodo luego del cual welve a ser cortado y e l proceso de carga se repite hasta que l a presi6n requerida sea alcanzada en e l cilindro. E s esencial que e l flujo de combusti ble sea cerrado como condicih, porque de otra manera, l a v5lvula de carga in versa puede llegar a sobrecalentarse con lo que puede ocurrir l a fractura del dstago. 2.4.2 SISTEM4S DE ARRANQUE POR AIRE OMPRIMIDO.

Ya que e l sistema de arranque por aire comprimido es e l n6s comijnmen te utilizado y generalizado para m5quinas de velocidades medianas, es a1 que ~ o n d r m smayor atenci6n en es t e ac5pite.

Un sistema de arranque por aire comprhido iimplificado, de l a s siguientes partes:

cmsta en su esquema

&

i)

Compresor, que por fines de previsi6n pueden s e r en nihero de dos , uno accionado por motor electric0 y otro por motor a gasolina.

ii)

Cilindros de reserva, que contienen e l aire comprimido a l a presi6n re querida para e l arranque.

iii) Tuberfas, v5lvulas y motores de a i r e o d l t i p l e con juego de v a v u l a s para l l e v a r a1 a i r e dentro del cilindro. do se muestra en l a Fig. 2 . 3 1

Un esquema simplifica

-

Para tener una concepci6n m5s completa del sistema de arranque por aire adjuntamos algunos esquemas simplificados pertenecientes a 10s sistemas m5s generalizados , correspondientes a d i s t i n t a s procedencias de m5quinas , 10s cua

les 10s clasificamos en t i p o 1 y t i p o 2 para su anaisis. 2.4.3

DESCRIPCION DEL SISTEMA DE ARRANQUE PARA EL TIPO 1 (Fig. 2 . 3 2 ) Este tipo de sistemas u t i l i z a n motores de a i r e provistos de un piii6n -

en su eje para accionar una corona dentada del volante. Un bot6n de mando pa ra e l arranque de l a miiquina s e tiene localizado en l a consola de control, e l cual es simplemente un switch de contact0 que p e m e c e cerrado durante e l pe riodo de funcionamiento. E l control del sistema de arranque de m5quinas turbocargadas e s t % in-

terconectado para cuando s e requiere de l a bonha de circulaci6n del aceite l u bricante a1 turbocargador, entre en fimcionamiento, y e l control de velocidad del gobernador enfre en juego para funcimar en vacfo antes de que l a m5quina sea arancada. Luego de r e c i b i r l a seiial de arranque, l a v5lvula solenoide s e energiza a1 permitir a i r e de 10s cilindros de reserva, y a1 pasar e l a i r e por hasta e l diferencial del motor de arranque.

ella

La entrada del a i r e mueve e l p i -

fi6n diferencial delantero hasta enganchar con l a

corona dentada de l a m5quina. E l movimiento del diferencial descubre una lumbrera que p e m i t e e l pa el so del aire a presi6n para que sea liberado a medida que va efectuando trabajo. Este a i r e liberado abre una vslvula re16 de a i r e que en funciona miento, abre l a v5lvula de arranque y l i b e r a e l principal suplemento de a i r e que luego pasa a trave's de una llnea de l u b r i c a c i h , liberando una mezcla aire -aceite que a1 e n t r a r a 1 motor, l o lubrica automiiticamente.

de

Finalmente

este motor de muchas paletas, acciona 10s diferenciales, r o t a e l a n i l l o dentad0 y hace mover e l cigueiial . Tambien e x i s t e una v%lvula de disparo de s a l i d a que e s operada manualfin mente, especialmente cuando s e e s t 5 efectuando mantenimiento, e s con e l

de e v i t a r un funcionamiento inadvertido 2.4.4

.

DESCRIPCION DEL SISTEMA DE ARRANQUE PARA EL TIPO 2 (FIG. 2 . 3 3 )

E l arranque del motor para e s t e t i p 0 es por admisih de a i r e comprimi do a 10s cilindros a trav6s de vZlvulas ubicadas en cada culata. E l sistema incluye, como ya s e ha dicho, cornpresores independientes con sus respectivos cilindros de reserva y l a tuberla de interconexi&, empleando a i r e hasta 350 psi (24,6 Kg/an2)

E l distribuidor de a i r e es accionado desde e l extremo l i b r e del 5r bol de levas, y s u acci6n es a u t o d t i c a . En l a tapa del distribuidor de a i re existe un pequefio o r i f i c i o que s i r v e para desahogar l a presi6n de a i r e de 10s tubos, luego de haber arrancado e l motor,

Por l o demiis, e l sistema es bastante sencillo y no requiere, corn en e l caso anterior, de instalacio nes electricas para su puesta en marcha. 2.5

CALCULO DE UN RENDIMIENTO DE T W O DE LA CENTRAL

2.5.1

GENERALIDADES Corn bien sabernos, en l a g e n e r a c i h de potencia de una Central Diesel-

Elgctrica intervienen diversos factores que s e pueden c l a s i f i c a r corn e l g c t r i cos y m e h i c o s , con l o cual, e l rendimiento del trabajo efectuado por e l l a no

l o constituye hicamente l a eficiencia mechica cle l a d q u i n a , o l a eficiencia t6rmica que rinde e l combustible, o incluso, e l factor de potencia correspon diente a1 generador, sino que e s t 5 funcionando l a Central. Deberia incluirse, y con muchas razones, l a eficiencia con que "funcionan" 10s elementos humanos participantes en l a g e n e r a c i h , per0 por condicio nes obvias, y considerando que esto puede superarse, no l o tratamos aqui por que creemos que constituye un aspecto que no e s t 5 dentro de l o que nos propone mas estudiar. Visto de una manera superficial, algunos de 10s indices de trabajo que leben tenerse en consideracih, se* l o propone MIBLEES - BLACKSTONE son: i)

Eficiencia Elgctrica. Equivalente caldrico de unidades generadas Cantidad de combustible x valor caldrico net0

ii)

Factor de Demanda Anual Unidades Generadas Demanda rr6xima x 8040 horas/afio

iii)

Factor de Funcionamiento de l a Planta

x 100

LJnidades Generadas KW producidos x Horas de funcionam.

x 100

Dada l a e n o m importancia del tema que hems expuesto, pondremos especial atenci6n a 10s elementos participantes y 10s veremos mi% detenidamente.

Eh l a Fig. 2.34 pretendems hacer m a abstracci6n del "proceso de t r a

bajo de l a Central" desde e l instante en que e l combustible entra a l a d q ui na, hasta e l momento en que e l fluido el6ctrico sale a l a s b m a s de l a su bestaci6n principal. Como bien podemos observar, para que l a energfa q ~ ca del combustible se transfoxme en energfa elgctrica, debe atravezar por una serie de elementos electramec5nicos que absorven parte de esa energfa para su funcionamiento, y entregan solamente una parte del porcentaje t o t a l de energfa contenida inicialmente. Desde este punto de v i s t a , e l perfomance o rendimiento dela Central podr5 determinarse comparando, dentro de un lap so determinado, l a cantidad de energfa electrica pmducida con l a cantidad nicial de energfa qulmica del combustible, esto es: Equivalente caldrico de unidades generadas x 100 Cantidad de conbustible consumido x valor caldlrico net0 l o cual tambign puede interpretarse c m l a eficiencia elgctrica de l a Central, segGn l o habiamos expuesto a n t e r i o m n t e .

Dado que l a &uina Diesel-elgctrica es una unidad que transform l a energfa qulmica en mechica y luego en e l k t r i c a , es a e l l a a l a c u d va a concentrarse l a atencidn siguiendo este proceso de transformcitin. La h i c a y nbs importante observacih que se debe tomar en cuenta es l a de diferenciar l a energia que s e produce en e l cilindro de l a m5quina a ayes par5metros se les denomina p a r h t r o s indicados, y l a energia que s e produce en e l e j e del ciguefial ~ o p asr h t r o s se conocen com par%etros efectivos, 10s c u e s 10s veremos s e p a r a h n t e .

Los p a r k t r o s indicados son: Trabajo indicado (wi) , presi6n media i n dicada (pmi), eficiencia indicada ( Ti ) y potencia indicada (Ni) y significan l a energia que e l c d u s t i b l d ha sido capaz de entregar en e l cilindru con una efectividad que evidentemente no a l m z a e l loo%, e s decir , que no es to-

-

do el valor cal6rico que contiene e l combustible ya que siempre e x i s t i r h firdidas de cualquier naturaleza, como por ejemplo, efectividad de l a inyecc i h , de mezcla, etc.

Matem5ticamente e l trabajo indicado e s t 5 representado por l a expresi6n.

cuya integral se refiere a1 5rea de un diagram comcido corn diagram del in dicador. (ver Fig. 2.35), La diferencia de presiones contenida en e l parentesis es mejor conoci

da como pni y representa un valor medio que reproduce l a misma 5rea dibuj a

-

da por e l indicador, s e a se puede apreciar en l a Fig. 2.3 5

La expresi6n queda:

Wi=pmixVp l a cudl representa e l trabajo realizado por 10s gases a1 desplazar e l cilindro en l a camera de potencia. EFICIENCIA E l valor de l a eficiencia indicada demestra, s e a s e habia dicho anteriomente, e l porcentaje de energia del conhustible que se t r a n s f o m en traba jo indicado. Se representa por:

en donde :

Q1 = valor cal6rico net0 del combustible

J = equivalente t6rmico del calor

( 427

)

Es e l trabajo que realizan 10s gases dentro del cilindro, por cada unidad de tiempo. Considerando que es l a pmi l a que e s t 5 haciendo e l trabajo enn un xm lumen Vp del cilindro, entonces, l a potencia por cada w l t a del cigueW serb: N i = pmi x Vp x 1/2 y por cada dos vueltas del ciguefial :

(motor de 2 tiempos)

Ni=pmixVpxl

(motor de 4 tiempos)

Esto mismo, referido a "nu rpm e "i"ninnero de cilindros, ser5: NiZt

Ni4t

= pmi x Vp x i x n/2

(kg-m/min)

= pmi x Vp x 1 x n

Para obtener unidades & c o m e s corn HP 6 Lb-pielseg. necesitamos t e-

ner :

Ni4t

2.5.3.4

-

pmixvpxnxi 9.000 POTENCIA DEL PISTON

(HP)

E s una medida que sirve para dar una idea individual de l a potencia que

es capaz de desarrollar l a secci6n unitaria del pist6n de una ndquina en particular. Se expresa de l a siguiente f o m :

lo cual, relacionhdolo con l a expresl6n (2.20) nos da:

2.5.3.5

POTENCIA DEL CILINDRC)

l k l a misma manera que en e l caso anterior, e s t a medida nos da una idea individual de l a potencia que es capaz de desarrollar e l volumen unitario que des plaza e l pist6n de una d q u i n a en particular. Partiendo de: Ne/ Vp x i = N c i l . y relacionfmdolo con l a expresidn (2.20) nos da:

Un factor de gran importancia que e s precis0 conocer es e l denomina -

i

do "gasto especifico indicado de combustible" (gi) que representa l a canti dad en peso de combustible que s e gasta para r e a l i z a r 1 &I indicado en e l l a p so de m a hora:

2.5.4 PARAMETROS EFECTIVOS

Los finicos p a r h e t r o s efectivos que s e consideran son: potencia efectiva y eficiencia efectiva, y significan e l trabajo ejecutado por l a nbquina en e l eje de salida del ciguefial. Hay que tener en cuenta que todas aquellas p6r didas de potencia indicada corn rozamiento y funcionamiento de accesorios ya han sido descontadas y que e s t m s considerando solo l o que e s capaz de trans fonnarse en energsa e l e c t r i c a para su aprovechamiento efectivo. 2.5.4.1

POTENCIA EFECTIVA

Considerando l o antes expuesto, l a potencia efectiva es:

incluy6ndose en N r todas l a s perdidas de potencia de 10s accesorios mec5nicos e incluso otros implementos necesarios para e l funcionamiento de l a m5quina. i) POTENCIA EFECTIVA EN FUNCION DEL TORQUE

Se entiende por torque e l momento actuante en un e j e , o tambien e l ament o d e e s f u e r z o q u e e s c a p a z d e d e s a r r o l l a r l a ~ q u i n a e n e l e j e d e s a l i d a . Se puede visualizar e l concept0 cuando s e t r a t a de mover e l cigueiidl de un vehiculo por medio de una manivela. La magnitud del torque viene a s e r e l esfuerzo aplicado a1 e j e en Lbs 6 Kg, multiplicado por l a distancia perpendicular (radio) del punto dl e j e en pies o an respectivmente. Por tanto, las unidades del torque sex5n: lb-pie 6 Kg-cm, l o cual s e puede representar por:

S i s e considera que l a fuerza actuante F act& sobre una revoluci6n del eje, entmces, e l trabajo efectuado por cada r e v o l u c i h ser5

y si l a m5quina e s t 5 girando a n rpm, e l trabajo se repetir5 n veces por m-i nuto :

A d d s , s i es que tenemos en cuenta que: 1 HP = 33.000 lb-pie/min

La potencia desarrollada por l a a u i n a ser5

y ya que e l torque es : (2.

)

tendremos :

td e =

2Ti: v,. T 3 7 6 . boo

-

ii) POTENCLA EFEmIVA EN FUNCION DE P&E La potencia efectiva, tambign conocida corn potencia a1 freno (BHP), pug

de calcularse a p a r t i r de l a misma relacitin (2. ) , con l a diferencia de que tenems que usar l a presi6n media efectiva ( p e ) , l a c u d e s e s t e caso, adop ta un valor puramente matem5tico:

Ne=pmexVpxnxi 396.000

ow

(medidas inglesas)

y (2. ) s i e s que en anbos casos reemplazamos e l valor de pmi por pme, y en e s t e caso, aquellas relaciones adoptan un valor a h d s r e a l que e l expuesto por aquellas relaciones. Podems considerar relaciones s i n i l a r e s a l a (2.

2.5.4.2

)

EFICIENCIA E F E C T I V A Haciendo una camparaci6n con e l concept0 de eficiencia indicada, l a eficien -

cia efectiva viene a s e r e l porcentaje de energia del combustible que s e transforma en trabajo efectivo.

De l a misma foma que en e l caso anterior s e tendr5:

2.5.4.3

GASTO ESPECIFIOO EFECTrVD DE COMBUSTIBLE (gc)

La cantidad en peso, de combustible que s e gasta para obtener 1 HP e fectivo (1 BHP) en una hora, se denomina gsto especIfico efectivo de combustible : gc = k/Ne = 6 3 2 m x 2.5.5

yIe

(~g/Hp-h)

EFICIENCIA MECAN'ICA

La eficiencia m e h i c a de una nbqo de un mecanism cualquiera es l a rnedida del aumento de trabajo a l a salida, comparado con e l trabajo a l a entrada. En otras palabras, es l a cantidad de potencia que se obtiene en e l eje de salida, en relacidn a l a potencia que se ha introducido (por medio del combus tible). Para una d q u i n a diesel se tiene:

2.5.6

EFICIENCIA TERMICA La eficiencia t6nnica debe considerarse desde dos puntos de vista: i) ii)

2.5.7

Desde e l punto de vista tedrico Desde e l punto de vista real.

ETEMPLO DE APLICACION

Una wins a diesel consume 157 Galhora de combustible de gravedad especlfica GE = 0,825 produciendo 2.000 KW. E l valor calorifico del combustible quemado es VC = 19.000 BZU/lb comb. Encantrar l a eficiencia t6rmica de l a planta (1 gal6n de agua = 8,35 l b ; 1 K W H = 3.413BTU)

157 G a l h x 0,825

(Lb

x 8,35 1bm agua/gal

Lb agua/gal

0,54 lbm conib/KbH x 19.000 BTU/lbm comb = 10.260 BTU/KWH

=

1.080 lbmco&/h

CAPITULO

3

SUPERVISION DE L A GENERACION

3.1

CONSIDERACIONES GENERALES

Uno de 10s problemas m6s comunes en las centrales Diesel - elgctricas de nuestro pais es posiblemente la supervisi6n de l a generaci6n por un m6todo normalizado o por lo menos tgcnicamente aceptable, que garantice un funcionamiento cien por ciento efectivo y reduzca a l a minima expresi6n las i m previ siones, 10s errores y 1as sol uciones insus tancial es y momentineas. Y esto se debe a dos hechos que puede pasarse de curiosos e incomprensibles: 1 ) Existe una tal proliferacidn de tipos de maquinaria diesel en nuestro pai s que ha producido una tal diversificaci6n de equipos, herramientas y re_ puestos, que por lo menos ahora, nadie se ha preocupado en normalizar su control porque todos se encuentran ocupados en 10s montajes, elaboraci6n de 1istado de repuestos y mantenimiento forzado, que dilata cualquier esfuerzo a1 respecto. 2 ) No existe un control tgcnico a nivel de Ingenieria que permanentemente v l gile tales centrales. A pesar de que las firmas fabricantes envian todo l o necesario

para la operaci6n y mantenimiento de sus grupos, es przcticamente imposible ajustarse a sus regulaciones por diversos motivos tanto de orden fisico como organizativo, razdn por la cual, en muchas empresas han preferido continuar con 10s tdtodos empiricos de operacidn y mantenimiento, sin que de ellos se haya i ntentado extraer formatos que regul ari cen 1os control es respecti vos . Nuestra intenci6n en este capitulo es precisamente t r a t a r este punto dlgido de sistematizaci6n, sin olvidar 16gicamente que l a funci6n del Inge niero de planta abarca todo el praceso tgcnico y cientifico de la generacidn desde l a entrada del combustible a 10s tanques de reserva hasta l a salida de la energfa en las barras de la subestaci6n principal, es decir, se incluyen aspectos tales como:

i ) organizativos i i ) meclinicos i i i ) ,elGctricos

10s cuales deben s e r afrontados con d e c i s i d n y capacidad t g c n i c a s u f i c i e n t e s Basados en l o anteriormente expuesto, trataremos de e l a b o r a r que iremos c l a s i ficando en 10s s i g u i e n t e s grupos:

i)

formatos

Operaci6n del grupo mdquina-generador Mantenimiento del grupo mdqui na-generador

ii ) iii) Conocimiento y operacidn de t a b l e r o s de c o n t r o l

iv)

Conocimiento de l a subestaci6n p r i n c i p a l

OPERACION DEL GRUPO FMQUINA-GENERADOR

3.2

Con e s t e punto nos r e f e r i r e m o s a 10s s i g u i e n t e s pasos:

i) Operacidn de arranque ii) Operacidn de funcionamiento i i i ) Operacidn de parada 3.2-1 OPERACION DE ARRANQUE Antes de a r r a n c a r una d q u i n a , de cuaaquier t i p o que sea, pero que pertenece a1 margen que nos hems r e f e r i d o en e s t a t e s i s , se debe asegurar prime_

ro l a s s i g u i e n t e s condiciones : CONDICIONES-. F IJAS

CONSTANTES

i) Que l a M q u i n a pueda g i r a r libremente, es d e c i r , que no hayan e l e mentos f i s i c o s que o b s t a c u l i c e n e l normal desenvolvimiento de l a m i 2 ma. ii)E l n i v e l de a c e i t e del c d r t e r , d e l regulador de velocidad, t u r b o y chumaceras sea e l c o r r e c t 0 i n d i c a d o p o r 10s n i v e l e s de sus r e s p e c t i vos medi dores. iii)La p r e s i d n en e l r e s e r v o r i o de a i r e comprimido debe s e r e l necesario recomendado (aprox. 300 p s i ) o e l n i v e l de v o l t a j e de l a s b a t e r i a s e l m'inimo aceptado para e l arranque, i v ) E l n i v e l de combustible en e l tanque d i a r i o de abastecimiento debe e s t a r completo v) E l regulador de v e l o c i d a d debe i n d i c a r su l i m i t e para l a condicidn de arranque (aprox. 50%). 3.2.1.2

CONDICIONES NECESARIAS PARA EL ARRANQUE

i)Es necesario prender l a bomba de p r e l u b r i c a c i d n y mantenerla encendida hasta que e l motor arranque. Luego apagarla. S i se u t i l i z a

bomba

de p r e s i d n manual, se l a debe u t i l i z a r hasta p r o d u c i r una presidn de

aceite en l a vdlvula de unos 5 psi. i i ) Abrir l a s vdlvulas de combustible, drenar e l a i r e de l a s cafierias y cebar l a bomba. i i i ) Abrir l a vdlvula principal de l a botella de a i r e de arranque, pren der e l motor de arranque, y luego de que 10s cilindros empiecen a trabajar (tacto) apagar el motor de arranque. Cerrar l a vdlvula p r i n cipal del cilindro de a i r e . 3.2.1.3

CONDICIONES SUBSIGUIENTES

i ) Prender e l motor elgctrico del radiador o 10s motores de l a s bombas de agua de enfriamiento i i ) Encender e l tablero de alarmas de l a m5quina (Switch principal en posici6n ON), En real idad es$a operaci6n varia en 10s distintos tipos de mdquinas ya que como algunos arrancan con un "bot6n de encendido" se requiere que e l tablero sea encendido con anticipaci6n i i i ) Calentar l a mSquina hasta que l a temperatura del agua de l a s camisas alcance de 100 a 110 OF (10 6 15 m i n , aprox.). En casos de emergen c i a , s e puede acelerar esta operacibn. i v ) Girar e l "limitador de carga" del regulador de velocidad a la posi ci6n normal de funcionamiento (10 aprox.) v) Finalmente s e debe obtener l a velocidad normal de funcionamiento u t i 1izando una peril l a denominada "ajuste de veloci dad" del regulador de velocidad que generalmente es accionada desde 10s tableros de control v i ) Verificar " caida de velocidad" del gobernador en "0" v l l ) Comprobar presiones y temperaturas

-

-

3.2.1.4

CONDICIONES FINALES

Con todos 10s pasos anteriores, l a mdquina queda funcionando sin car ga. Para tomar carga es necesari o previamente si ncroni zar e l funcionamiento cuando e l grupo trabaja en paralelo con otros, u obtener l a s condiciones necg sarias de frecuencia y voltaje, cuyo orden de sucesi8n son l a s siguientes: i ) Debe haber tensidn en barras, generada en cualquier lugar que puede s e r en la misma planta o en otra de cualquier lugar. i i ) Alimentar e l c i r c u i t 0 de corriente continua de l a unidad que se va a sincronizar, e l tablero de corriente continua. i i i ) Verificar l a consxi6n del seccionador de cuchillas de l a unidad que va a entrar. iv) Conectar e l interruptor de campo. SElector de regulaci6n del voltaje en AUTO.

86 I v) Conectar tablero de sincronizaci6n con l a llave de sincronizacibn. gualar voltajes y frecuencias entre este tablero y e l tablero de barras de la unidad que entra. Esta operaci6n se efectfia de l a siguient e forma: S i la unidad que va a entrar, estd atrazada, l a plum del sincroniza dor s e mueve en e l sentido de l a flecha SLOW (Lento) o FAST (rdpido). Se de-

be regular la velocidad con e l control remoto hasta que la pluma s e d i r i j a a "0" en cuyo instante s e debe cerrar e l interruptor principal con l o cual l a unidad queda sincrobizada. Se debe e v i t a r que l a flecha siga e l sentido de FAST (rdpi do) . vi)

Antes de que la mdqujna reciba carga, debe tener una caida de velocidad en e l gobernador de 60 con l o cual queda "ayudante" mientras que e l otro grupo queda de "patr6nM con cafda de velocidad "0".

3.2.1.5

REPARTO'DE CARGA

El reparto de carga se hace solamente con e l grupo que estd de "ayu dante" (cafda de velocidad 60) .El "patrdn" s e regula por si solo y su funcidn es mantener 60 ciclos/seg. Se debe notar l a subida de 10s KVAR del "ayudante" a medida que tome carga y viceversa, 3.2.2

OPERACION DE FUNCIONAMIENTO

Luego de que l a s Gquinas han arrancado y han tomado carga, se entra a la segunda fase que podemos denominar "operaci6n de funcionamiento" y que i n = cluye e l proceso de lecturas y previsiones de f a l l o s detectables y no detectg bles por 10s correspondientes reles de seguridad o aparatos de medida. 3.2.2.1

SEGALAMIENTO DE FALLAS '

Por l o general, todos 1os grupos el ectr6genos traen sus correspondientes tableros que desempefian l a importante fwncidn del control operativo de l a miquina y del sefialamiento de f a l l o s de origen mecdnico o electrico, cuya procedencia puede s e r de dentro o fuera de l a central. Los tableros de operacidn 10s podrfamos clasi f i car en t r e s que nonecesariamente necesitan s e r independie; tes : i)

Tablero del alternador y de protecciones cuyos medidores son 10s si-

gui en tes :

Amperfmetro para medir la corriente que s a l e en cada una de l a s If neas del a1 temador. Vol timetro, para medir e l voltaje en cada una de l a s fases del a l t er nador (o vol t a j e entre fases).

Watfmetro, para determinar l a potencia, en Kw que arroja el alternador. Adem& se tienen: Medidor de factor de potencia (cos 6) Medidor de cicla j e (cicloslseg) Medi dor de potenci a reacti va (KVAR) Las protecciones que lleva e s t e tablero son del t i p 0 de r e l k automdticos que operan desconectando e l grupo electrdgeno y previniendo por rnedio de luces y alarmas, y son por l o general: Fallas de origen mechico: Cafda de presi6n de aceite lubricante A1 t a temperatura de acei t e 1ubri cante Alta temperatura de agua de camisas Sobrevel oci dad Baja presidn de agua cruda Fa1 l a s de ori gen e l k t r i co: Sobrevol t a j e Bajo voltaje Sobrecorri ente Falla de una bobina del generador a tierra(protecci6n diferencial) Falla de barras a t i e r r a Pgrdida de campo Potenci a i nversa i i ) Tablero de corriente continua

Este es un tablera que desempeiia una funcidn importante porque contro trola e l funcionamiento de l a e x c i t a t r i z que es un motor de corriente conti nua que energiza o excita e l campo del generador y mantiene una polaridad constante en cada uno de 10s polos. Los medidores que lleva son: Vol timetro (volt) Amperfmetro (Amp) i i i ) Tablero de barras o alimentadoras Registra l a s condiciones que ya s e estiln entregando en l a s barras de l a subestaci6n. LLeva 10s siguientes medidores: Vol tfmetro, que mide e l voltaje entre cada lfnea

88 Amperfmetro, mide la corriente en cada lfnea

I

Watfmetro-hora, que es e l medi dor de consumo del exterior y que correz ponde a1 f l u j o de energia que estdn entregando l a s dquinas. iv)

Tablero de sincronizacidn

Es por l o general, un tablero adjunto de mas pequeiias dimensiones,

y o

por medio de 61 se controla l a s condiciones para l a sincronizacidn trabajo en paralelo de dos grupos diferentes. LLeva 10s siguientes med i dores : Regulacidn de veloci dad Cicla je (ci clos/seg) Factor de potencia (cos

V)

Cabe mencionarse que a1 gunos grupos electrdgenos 11evan un panel separado en e l cual es posible r e g i s t r a r condiciones de presidn y temperatura en diferentes partes de l a mdquina con l a s cuales se posibilita llevar un con trol tgcnico y anticiparse incluso a 10s daiios quellevan a paws forzosos y de perjudi ciales consecuencias.

-

3.2.2.2

REGISTRO BE LECTURAS ( DISEfiO DE FORMAT0 DE REGISTRO)

De l o anteriormente dicho se han elaborado formatos para e l control t6cnice que registran, en lapsos de tiempo predeterminados, l a pulsacidn de vida de la m8quina y del a1 ternador. Se ha general izado el uso de hojas de control de grandes dimensiones que en c i e r t a forma d i f i c u l t a su manejo, pero que en una u otra forma son fitiles. En e l anexo .?. y 8 s e incl uye un disefio para el control de lecturas seiialado anteriormente. 3.2.3

OPERACION DE PARADA La operacidn de parada puede r e f e r i r s e a1 caso en que est6 funcionando

una sola msquina, o cuando e s t s funcionando mss de una dquina. 3.2.3.1.

PARADA DE UNA SOLA MAQUINA

Desconectar e l breaker de servicio de l a Central i i ) Abri r e l interruptor principal i i i ) Abrir e l interruptor de campo i v) Desconectar e l secci onador de cuchi 11as (por precauci6n) i

3.2.3.2.

PARADA DE UNA MAQUINA EN PARALELO

Reduci r l a carga lentamente i i i ) Desconectar e l breaker del circui t o iii)

Parar e l motor

Para ambos casos es necesario cortar 10s servi cios de enfriamiento, lubricacidn y combustible 1uego de que la mdquina ha dejado de funcionar. I

3.2.4

OPERACION DE CONTROL

La importancia del Registro de Lecturas radica en que, por medio de su anal isis detenido y minucioso podems determinar l a forma en que estd t r a bajando l a miquina, e l generador o l a e x c i t a t r i z y anticiparse incl uso a un posible daio con l a toma de medidas necesarias para evitarlo. Para proceder a1 andlisis del Registro de Lecturas s e debe elaborar un cuadro de datos tgcnicos, como el que presentamos en e l AfiEXO 3.3. y el cual nos va a s e r v i r corn referencia para todas l a s condiciones de presidn y temperatura, en l o que a l a mdquina s e refiere. Las posibles variaciones respecto a estos datos y con d r g e n e s que pueden s e r mayores del mas o menos 5% indican e l comienzo de una f a l l a o l a permanencia de una situacidn inadecuada para l a mbquina, que puede l l e v a r a una grave consecuencia. Los datos registrados en l o que a1 alternador s e refiere no indican precisamente l a situacidn de 6ste sin0 mds bien, l a situacidn externa de l o que a cuestidn mecinica s e refiere, esto es, una situacidn puramente el6ctrica como por ejemplo, desequilibrio de fases en l a s lecturas de amperaje, o aumen to o disminucidn de 10s KVA reactivos en su lectura respectiva. E l a n i l i s i s del Registro de Lecturas puede hacerse una cosa rutinaria

como por ejemplo, e l anSlisis semanal l o cual requiere a pesar de s e r ruting rio de un diagndstico por e s c r i t o que puede s e r conducido en l a misma hoja de Registro de Mantenimiento que veremos mas adelante, o puede s e r v i r de punto de partida para nuevas condiciones de l a s mdquinas como cuando s e ha efectuado un mantenimiento o un cambio de importancia, sea por ejemplo: carnbio de aceite, de f i l t r o s , "overhaul" (registro general de las mdquinas), en l o que a1 aspect0 mecanico s e refiere, y en una determinacidn de l a situacidn del am peraje de fases del generador o de sus KVA reactivos cuando se ha hecho un b g lanceamiento de transformadores de distri bucidn, o instalaciones de importancia que absorven o producen KVA reactivos, en l o que a1 aspecto elgctrico s e refiere. 3.3.

MANTENIMIENTO DEL GRUPO MAQUINA-GENERADOR

Tanta importancia corn l a operacidn, l a tiene indudablemente el mantenimiento,yesaestaseccidnalaquere~Eeriremosnuestromayorinte~s. E l mantenimiento de la mdquina diesel implica su conocimiento exhaustivo y un control permanente tanto te6ri co como prtlctico de l a s diferentes partes que participan en e l funcionamiento.

-

Para abordar e l tema de una manera s i s t e d t i c a , estableceremos 10s siguientes pasos : i ) Mantenimiento fortado ii)

Mantenimiento Programado

i i i ) Mantenimiento General (Overhaul )

Cada uno de 10s cuales t r a t a de i n c l u i r todos 10s tipos de control que fie pueden presentar en l o que se refiere a1 mantenimiento. 3.3.1

MANTENIMIENTO FORZADO

Cuando ocurre un dafio imprevisto en el instante del funcionamiento de un grupo diesel -elgctrico, s e l e debe dar una soluci6n segura e inmediata que puede s e r momentdnea o pemanente, s e g h l a s circunstancias. Este tipo de dafios requiere por l o general del par0 inmediato de l a mtiquina, y algunos casos de e l l o s pueden ser: i ) Paro por sobretemperatura, receptado en el re16 respectivo de

10s

tableros de control i i ) Sonidos irregulares de ejes que pueden indicar daiios en 10s cojine

tes. i i i ) Rotura permanente de l a s tuberias de gases de entrada o salida

iv)

Rotura de tuberias de cobre que distribuyen e l combustible en 10s inyectores.

Este tipo de mantenimiento debe s e r registrado en una hoja que puede denominarse REGISTRO DE MANTENIMIEFITO y que presentamos en e l anexo 10. Su importancia radica como puede observarse en l a utilidad que presentard. durante cualquier gpoca, para l a emisidn de un diagn6stico determinado. 3.3.2 MANTENIMI ENTO PROGRAMADO El mantenimiento programado consi s t e en l a elaboraci6n de un programa de control que nos va a s e r v i r cada vez que l a mtiquina cumple con un determinado n h e r o de hojas a l a s cuales corresponde una revisibn, limpieza o cam bio. Para ejecutar e s t e tipo de mantenimiento es necesario 1levar un control de horas de funcionamiento que hard l a s veces de un registrador que nos p r g vendrd. del instante en que debemos ejecutar t a l o cual trabajo. Un formato para este control s e presenta en el Anexo 11 en e l cual s e incluyen l a s horas que corresponden a todos 10s trabajos de importancia. Una vez que ha corrido el tiempo necesario para cualquiera de l a s partes, tenemos que reali zar el mantenimiento que corresponde a ese nfimero determinado de horas para

91 10 cual es necesario elaborar una Gufa de Mantenimiento Programado la cual nos garantizard

-

por e s c r i t o

-

l o que ha sido posible efectuar y lo que no

ha sido posible por cualquier razdn aceptable'

3.3.3.

.

MANTENIHI ENTO GENERAL Finalmente, el Mantenimiento General (Overhaul ) que corresponde a u-

na revisidn completa de todas l a s partes que constituyen la mdquina, puede ser conducido y vigilado por la misma hoja de Control que hemos disefiado pa-

ra el Mantenimiento Programado y que hemos incluido en eP ANEXO ll. Cabe indicarse que para un mantenimiento l o mSs adecuadamente posi

-

ble, hay que contar con l a s sugerencias y prescripciones de 10s fabricantes de las mdquinas quienes generalmente envfan, j u n t o con sus manuales,

todas

las indicaciones necesarias para la operaci dn y mantenimiento de 10s grupos. 3.4 PROBLEMAS COMUNES DE FUNCIONAMIENTO Dentro del conocimiento de un grupo motor-generador, uno de 10s puntos que podrfan t i t u l a r s e de bdsicos es el que s e refiere a1 correct0 funciona

-

miento de cada uno de sus sistemas de trabajo. Cuando, dentro del proceso de potencia, desarrollado por una mdquina diesel, s e notan ciertos aspectos que sobresalen de l a s condiciones normales de trabajo o que no estdn dentro de 10s lfmites caracteristicos, conocidos de antemano, entonces se debe proceder a un cheque0 o inspeccidn que no pasa de s e r habitual y que sin embargo reviste l a seguridad del ciclo de trabajo. Casi todos 10s fabricantes o representantes de e s t e t i p 0 de mdquinas de potencia suelen poner su debido interFes en el asunto y acostumbrar enviar a sus usuarios, mucha informacidn a1 respecto, de l a cual, en c i e r t a forma nos hemos val i do para orientar e l presente tema que estamos desarrol lando. 3.4.1

CUANDO LA MAQUINA NO ARRANCA

3.4.1.1

Chequear e l c i r c u i t 0 de arranque automdtico en lo que respec t a a l a presi6n del a i r e de arranque, pueda que 6sta sea de-

msiado baja o incl uso que l a s vdlvulas est6n cerradas.

I

3.4.1.2

Comprobar si hay agua o aceite en 10s cilindros. Bien sabemos que es tas condi ciones son desven ta josas para el funci onami ento

3.4.1.3

Inspeccionar el motor de arranque que puede tener alguna f a l l a el6ctrica

3.4.2

a Cuando l a mzquina no puede continuar su funcionamiento a su velocidad propiada. 3.4-2.1

Chequear el sup1emento de combustible a 1os c i 1i ndros abriendo l a s v8lvulas de prueba (cuando l a s hay) y girando l a mdquina , manteniendo la palanca de control del inyector en posicidn

de

arranque. Con esta prueba, debe emitirse un denso vacFo de combustible por 10s agujeros de descarga de cada una de l a s vdlvul a s de prueba de 10s cilindros. 3.4.2,2

Inspeccionar l a s vdlvulas de escape con el f i n de determinar si alguna de e l l a s estd pegada o tiene una tolerancia inapropiada. Cuando hay una fa1 l a de encendi do en 10s cilindros s e produce 1

-

na disminuci6n en l a compresidn y por l o tanto una baja poten cia. 3.4.2.3.

Determinar si 10s inyectores estdn correctamente regulados.

3.4.2.4.

Chequear si no ha sal tad0 el indicador de sobrevelocidad

el

cual es una causa para l a marcha normal, en cuyo caso l a f a l t a ya serFa de otra naturaleza. 3.4.2.5

Chequear que 10s detectores de baja presidn de agua o aceite (en donde existan )no hayan sal tado.

3.4.3

Cuando existe baja presidn de aceite lubricante 3.4.3.1

Chequear l a cantidad de aceite del cdrter

3.4.3.2

Chequear l a s condiciones de viscosidad y estado del acei te.

3.4.3.3

Inspeccionar si es que existen lfneas atoradas o rotas, o v8l vul as cerradas.

3.4.3.4 -

Inspeccionar si es que estdn obstruidos 10s elementos del f i l t r o principal, l a malla de succidn, el colador o el enfriador.

93 Un caso especial puede s e r que l a v d l v u l a de a l i v i o de

compen-

sacidn montada en e l i n t e r i o r del t r e n de engranaje de cubierta puede d e s v i a r e l a c e i t e debido a i n c r u s t a c i o n e s o materiales e x trafios en e l a s i e n t o de l a v d l v u l a que l a mantiene a b i e r t a . 3.4.4

Cuando se nota l a ausencia de p r e s i d n de acei t e a l a entrada de l a bomba Esto puede s e r causado p o r un d e f i c i e n t e sistema de b a r r i d o o por v d l vulas de drenaje a b i e r t a s . A su vez, l a f a l l a del sistema de b a r r i d o

-

puede s e r causada debido a una r o t u r a o pgrdida de a c e i t e por una co nexidn causando una fuga de a i r e , una f a l l a de l a bomba de barrido,obst r u c c i d n de l a s mallas de succidn, b a j o n i v e l de a c e i t e o defect0

de

1a v d l vula de desvfo. 3.4.5

Cuando e x i s t e un uso excesivo de a c e i t e 1u b r i c a n t e puede e x i s t i r

una

de l a s s i g u i e n t e s causas: 3.4.5.1

Los a n i l l o s del p i s t d n pueden e s t a r r o t o s mientras que 10s aguj e r o s de drenaje del a c e i t e en e l p i s t d n pueden e s t a r o b s t r u f

-

dos debido a 10s mismos a n i l l o s de a c e i t e .

3.4.6

3.4.5.2

Los pistones, a n i l l o s y camisas pueden e s t a r desgastados.

3.4.5.3

La ma1l a de separacidn de a c e i t e puede e s t a r obstruida.

3.4.5.4

E l a c e i t e escapa p o r fugas externas.

3.4.5.5

Grado inapropiado del a c e i te.

En o t r a s ocasiones, cuando se presenta desleimiento del a c e i t e 1 u b r i

-

cante puede deberse a una de l a s s i g u i e n t e s causas: 3.4.6.1

Puede e n t r a r combustible a1 a c e i t e debido a que 10s tubos de em palme que van a1 i n y e c t o r estdn r o t o s o incorrectamente colocados

3.4.6.2

.

Puede pasar combustible por 10s empaques de 10s f i l t r o s de i n y e c c i bn.

3.4.6.3

Los a n i l l o s d e l p i s t d n permiten e l paso de combustible debido a que estdn pegados.

3.4.6.4

Puede haber fugas en e l i n y e c t o r o en l a s vdlvulas de combustible

3.4.6.5

Finalmente, o t r a causa puede s e r que e l a c e i t e e s t e contaminado

'

94

de agua l o cual puede s e r deterninado visualmente en el extrem de 10s Cabezotes o en el sumidero del cdrter, o en su

defect0

tomar muestras para el analisis. 3.4.7

A1 ta temperatura de aceite de 1ubricaci6n 3.4.7.1

Chequear presi6n y nivel de aceite. Con bajo nivel de aceite, e s t e s e recalienta. A su vez chequear l a temperatura del

agua

que tambign debe encontrarse el evada. 3.4.7.2

Cuando existe un bajo f l u j o de agua no s e produce un enfriamien-

t o correcto. Chequear l a presi6n del agua. 3.4.7.3

Una causa elemental es que el enfriador de aceite e s t & obstruido. Chequear y limpiarlo.

3.4.8

A1 t a tempera tura de agua 3.4.8.1

Los pasos elementales son: chequear nivel de agua en el tanque de expansidn, chequear presi6n de agua, chequear f l u j o de agua en e l radiador y chequear l a operaci6n de l a vdlvula t e r m s t d t i ca de desvio.

3.4.9

Baja presidn de agua 3.4.9.1

Bomba de agua obstruida. Desfogarla

3.4.9.2

Aire en el sistema de enfriamiento. Desfogar

3.4.9.3

Obstrucciones en el enfriador o radiador.

3.4.10

Baja presidn de Combustible

3.4.10.1

Cantidad insuficiente. Rellenar tanque

3.4.10.2

Obstrucciones en 10s f i l t r o s . Limpiarlos

3.4.10.3

Impurezas en l a s vZlvulas de alivio. Limpiarlas.

3.4.11

Pgrdidas de Potencia

3.4.11.1

Puede s e r que alguno de 10s inyectores est6 obstruido o que las cremalleras estgn atoradas

3.4.11.2

La bomba de combustible puede tener a i r e o 10s f i l t r o s e s t a r obstruidos

3.4.11.3

.

Las lumbreras de l a entrada de a i r e de banido en las camisas pue den e s t a r parcialmente tapados con depdsito de carbdn.

I

3.4.11.4

Las vdlvulas de escape pueden e s t a r pegdndose o pueden haber obstrucciones, en el escape.

3.4.1 2 Chequear (go1pes) de mdquina Esta situacidn puede aparecer sea por condiciones mecdnicas corn desajuste de vdlvulas de escape, inyector pegado q u s hace que l a palanca de b s lancin golpee o incorrecta r e g u l a c i h del inyector; o por una situacidn

o

condicidn externa corn por ejemplo: que l a mzquina est6 sobrecargada o sobre cal entada 3.4.13

.

La mSquina s e para 1uego de corto tiempo de arrancar.

-

Puede producirse por motivos tan obvios corn que no haya alimenta

cidn de combustible o que 10s f i l t r o s est6n obstruidos, o debido a que el i n dicador de sobrevelocidad estd disparado. 3.4.1 4 Sal t a indicador de sobrevelocidad. Pueden haber dos condiciones importantes: sea que haya p6rdida

de

carga o sea que hayan f a l l a s en el gobernador (el cual es un problema mas se rio). 3.4.15

Escape de humo.

Los motivos mzs importantes pueden ser: 3.4.1 5.1

La mSquina puede e s t a r sobrecargada

3.4.15.2

Puede haber una mala regulacidn del inyector.

3.4.15.3

El inyector puede e s t a r tapado o l a boquilla puede e s t a r querng da

3.4.15.4

.

Los anillos del pistdn pueden e s t a r pegados.

3.4.16, Defectos o ruidos en el cilindro. Cuando ha sido posible descubrir defectos o ruidos en el cilindro,pug de s e r que no est6 trabajando apropiadamente debido a l o siguiente: 3.4.16.1

Vdl vulas de escape ma1 ajustadas.

3.4.16.2

Defectos del inyector.

3.4.16.3

Regulacidn inapropiada del inyector o del control de cremalle ras.

3.4.16.4

Excesivo escape de gases por e l anillo.

-

3.4.16.5

Pistdn r o t o o quebrado.

CAPITULO

4

CONCLUSIONES. RECOMENDACIONES

El campo de l a s mdquinas tecnicas por Generacidn diesel e s indudablemente extenso y su aplicacidn y u t i l i d a d qued6 claramente especificado en el capitulo de e s t e estudio. Luego de haber determinado l a s necesidades t6cnicas en el campo tedrtco y de haber obtenido algunas experiencias en e l campo prdctico podemos l l e g a r a determinadas conclusiones y recomendaciones que serdn de sumo i n t e r6s y que pueden motivar un punto de v i s t a para l o futuro. 4.1

LA DIVERSIFICACION DE MAQUINAS DIESEL

Uno de 10s aspectos mds c a r a c t e r i s t i c o s que he podido encontrar en l a s centrales diesel de nuestro pais e s l a notable diversificacidn de grupos generadores en una misma Central. A pesar de que e l principio de l a s d q u i n a s diesel es universal, s i n embargo no puede decirse l o mismo cuando s e t r a t a de seleccionar e importar repuestos y peor aQn cuando s e t r a t a de cancelar l a s partes importadas. En d e f i n i t i v a , l a diversificaci6n de d q u i n a s diesel en una misma central no es conveniente n i t k n i c a n i econdmicamente hablando, l o cual nos dd desde ya un punto de partida para l a distribucidn o adquisicidn de grupos generadores t6rmicos en una Central. Sin embargo, e s t o no s e puede t o m r en e l sentido mds drdstico de l a palabra sino de acuerdo a l a s necesidades o posibilidades de adquisicidn. Es decir, s i s e ha l i c i tad0 para a d q u i r i r nuevos grupos, s e tendrd en cuenta l a s mejores posibilidades, y en filtima instancia e l grupo menos comQn en el pais.

Para tener una idea d s c l a r a de l a diversificacidn de grupos tgrrnicos die sel, adjuntamos l a Tabla 4.1 4.2

UTILIZACION DEL COMBUSTIBLE PESADO

Cuando s e ha 1legado a situaciones similares a l a a c t u a l , en que el combus t i b l e destilado tiende a encarecer l a produccidn e incluso tiende a escasearse Par motivos de comercial izacidn y o t r o s mzs, entonces s e puede aseverar que l a uti lizaci6n del combustible residual salva y j u s t i f i c a l a utilizacidn de las mtiquinas de c i c l o diesel segQn ya habiamos podido observar en l a seccidn tercera del cap7tulo 3.

Si bien e s c i e r t o que s e requieren de instalaciones adicionales que encare ten l a inversidn adicional, en cambio, para un pais que va a r e f i n a r sus pro -

pios crudos y en cuya produccidn e l residuo deberd desecharse o venderse a precios i r r i s o r i o s , serd una gran ventaja y garantia para l a futura generacidn die sel ininterrumpidamente. 4.2.1

ALGUNOS ASPECTOS ADICIONALES EN EL US0 DEL COMBUSTIBLE PESADO

Los puntos por 10s cuales generalmente s e deterioran mzs rdpidamente en la operacidn de una mtiquina diesel a combustible residual son l a s vdlvulas de escape y l a s toberas de inyecci6n, y l a frecuencia del s e r v i c i o de estos dos aspectos es de predomi nante importancia. En ambos casos exis t e un "umbral" de temperatura en l a s partes c r i t i cas de 10s componentes de manera que, mientras s e incrementa l a s cargas, e l diseRo de 10s componentes debe d i r i g i r s e a mantener niveles seguros de temperaturas de operaci6n. En un largo interval0 de tiempo, 10s mismos argumentos s e aplican a la tendencia de rotura del a n i l l o superior del pist6n y a formarse depdsitos en la turbina del turbo-cargador, de manera que el control de l a temperatura en l a ranura del a n i l l o superior y de l a temperatura de ensayo para niveles de seguridad es tambien necesario para mejorar l a operaci6n con combustibles pesados.

Ademtis, por l a experiencia de d i s t i n t a s fdbricas sobre mdquinas operando en el campo prdctico junto con l a s pruebas de laboratorio, s e ha demostrado que 10s siguientes pardmetros, deberian s a t i sfacerse: 1

.- Temperatura

de escape despues de l a s vdl vulas no deben exceder 10s 500'~

-

(930'~) con asientos enfriados, y 440'~ (810'~) con asientos no enfriados. 2.- La temperatura del asiento de l a vdlvula de escape no debe exceder

10s

550'~ (1020'~).

3.- La temperatura de ranura del a n i l l o superior no debe pasar 10s 2 3 0 ~ ~ ( 4 0 3 ~ ~

4.- La temperatura de l a boquilla de l a tobera del inyector no debe pasar 180~~(350~~).

10s

4.3 CONCLUSIONES SOBRE ASPECTOS TECNICOS 4.3.1 ANALISIS DE LAS MUESTRAS DE ACEITE

a ) En una mtiquina nueva, l a s muestras deben tomarse peri6dicamente mes con e l f i n de determinar l a frecuencia del cambio de acei t e .

cada

b ) En una mdquina que ha pasado su period0 de asentamiento, l a s muestras

deben tomarse cada 500 horas (o menos) con e l f i n de determinar a l g h principio de desgaste. Como s e habia establecido en e l capftulo 2, 10s a n z l i s i s de l a s mues-

tras de a c e i t e deben i n d i c a r n o s 10s s i g u i e n t e s i n d i c e s para un a c e i t e SAE 40 pa ra traba j o s pesados.

PROPIEDADES FISICAS

ASTM

LIMITES NO USUALES

Saybol t Uni versa1 1Oo°F ( 38'~)

1.100 MAX.

21 0°F(980c)

70 MIN. 85 MAX.

Viscosidad

D567

55 MIN. 75 MAX.

Flash p o i n t (OF)

F i r e p o i n t (OF) Pour p o i n t (OF)

Zinc

I

-

I

10 ppm. MAX.

E l a c e i t e debe t e n e r una a1 t a r e s i s t e n c i a a l a o x i daci 6n, una b a j a tenden-

cia hacia l a formaci6n de depBsitos de carbbn, y debe s e r no c o r r o s i v o a1 metal i de p l a t a a 2 8 5 ' ~ ( 1 4 0 ~ ~ )Los . acei t e s con adecuadas reservas a l c a l i n a s y e f e c tvos sistemas detergentes dispersantes, son 10s que d s deben seleccionarse para estos casos. 4.3.2.

PRUEBAS DE CALIFICACION Las pruebas de l a b o r a t o r i o mbs comfinmente usadas para e l and1 i s i s d e l

cei t e lu b r i c a n t e son:

i.Propiedades f'isicas (ya expuesta) ii.Corrosidn de metales - P l a t a s Cobre -Pl o m

.-Evaluacidn completa de e s t a b i l i d a d de oxidacidn.

iii

iv.-

Caracter'isti cas de aumento de v i scosidad Retencidn de a l c a l i n i d a d Desarrol l o de i n s o l ubles Prueba de l a s 25 horas de l u b r i c i d a d de p l a t a .

Sin embargo de todo esto, 10s anf l i s i s de laboratorio no deben s e r usados co mo el irnico guia para determinar la condicidn del aceite, ya que de igual, e incluso mayor importancia es l a condiciQn en que s e encuentra la msquina. Tanto la mdquina como l a condicidn del aceite deben tenerse en consideraci6n para determinar l a frecuencia del cambio de aceite. En l a Tabla 4.2 s e incluye una interpretacidn completa del andlisis de muestras. 4.3.3.

las

ANALISIS DEL AGUA DE REFRIGERACION

El agua de refrigeraci6n de l a d q u i n a puede provenir del Sistema de agua "liviana" o del Sistema de agua "dura", Ambos casos necesitan un andlisis previo para determinar el t i p 0 de aditivos o de refrigerantes que se deben u t i lizar. El agua de refrigeracibn, s i n aditivo alguno debe s e r de t a l calidad que no contenga excesivos sdlidos, sales de dureza o elementos corrosi vos t a l e s como 10s cloratos. E l agua que contenga estos elementos en cantidades indeseables debe s e r tratada o de-ionizada para hacerla aplicable a1 uso. En l a Tabla 4.3 se muestran algunos indices para l a utilizacidn de un agua r e f r i gerante. T A B L A

4.3

SULFATOS

40 ppm. 100 ppm.

MAX. MAX.

DISUELTOS TOTAL DE DUREZA

340 ppm. 170 ppm.

MAX. MAX.

CLORATOS

TOTAL DE SOLIDOS

E l agua que excede estos 1imi tes puede causar i ncrustaci ones, dep6si tos

corrosi6n o combinaci6n de 6stos efectos. Estos son 10s principales motivos por 10s que nunca se recomienda u t i l i z a r agua s i n inhibiciones por la gran posibilidad de formar rdpi damente corros i 6n y herrumbre. 4.3.4

INSPECCIONES VISUALES Y MANTENIMIENTO

La mayoria de las inspecciones visuales deben ejecutarse sin necesidad de q u i t a r las partes que s e van a revisar que por l o general son pistones y ani 1los, En otras ocasiones es necesari o sdl o q u i t a r cabezotes para inspeccionar camisas o chapas de biela para inspeccionar sus superficies. AdemSs es necesario el reajuste peribdico de pernos, el cambio normal de f i l tros, y en el caso del mantenimiento general, el cambio de 10s elementos de

mayor desgaste y e l e s p e c i f i c a d o p o r 10s manuales de mantenimiento. Los casos fuera de especi f i c a c i dn deberf n s e r t r a t a d o s con dureza per0 s i n exageraci 6n.

CAPITULO

5

TABLAS Y DIAGRAMAS

APENDICE

REiAClON

FIG2.1

-

,

.

-.

- .. .

DE

- . ..

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CICLO TEORICO D E D I E S E L

COMPRESION

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1L:l

~ d l n i s i d n- € ; c a p e EI

pistdn

sube

C I C L O DE O P E I - ( A C I O N

I'

lBOO C A D A

TIEMPO - 7 2 0 '

DE

ROTkClON

DEL

3.- Tiern>o d e pot e n c i a 0 l r a b a j o

ClCLO

4 TIEMPOS

FIGS 2 3 A

V A R l A C l O N D E L C O E F I C I E N T E DE C A R G A

PMS

FIG 2 38 PRESION DE S O B R E A L I M E N T A C I O N

'.

PM I

Pk

FIG. 2 . 4

VARIACION DE L A E F I C i E N C I A V O L U M E T R I C A

E N FUNCION DE Pk y Pd

Tc FIG.

2.5-

I N F L U E N C I A DE L A R E L A C I O N DE COMPRESION

.

PM S

FIG. 2 . 6 P R O C E S O D E C O M P R E S

4

de inyeccion ~--

period0

FIT, 2.7 P R O T F q Q IlF T l l M R I I $ T l f l N

-~

-

-. .

F162.8 F A S E S OE L A C O M B U S T I O N

AROMATI

-

cos

- PARA FI N I C O S

FIG. 2.12 Camara de h y e c c i d n Directa

F I G 2 . I J A A l I E L A N T O DE L A I N Y E C C I O N

PMS

FIG.2-!s P R O L E S O D E E X P A N S I O N

B1

CIRCUIT0

I

CFRRADO

L' INTERCAMBIADOR

. (

-

CIRCUIT0 ABIERTO

B2

*

TORRE DE ErJFRIAMIENTO

F I 6. 2.19

C l R C U l T O C ERRADO S l M P L I F I C A D O

Outlet Temperature Gauge*

[ II

ine

1I

il

Vent

Temperature Reyulating Valve

/

8 y pass Line

lgine

(Only 1 Water Pump Provided O n 8 Cylinder Engines)

--

-

ine

-

-

Gravity Drain

-

-r

Heat Exctldnyer

IIIIIII~~ Iiedter ~ I ~'I ~

Cur~vectionFlow Pump P r e s w ~e Flow

(Only 1 Heat Exchanger Provided On 8 Cylinder Er.gines)

I Bornba de agua PJ..

-.*.I+:-I-

.L

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17134

5. T u l ~ ude entrada de agua 6. Pasaje dc ayua al t o ~ r o 7. Culata de cilindros Q

P,.,I~

.4~.

......,..

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Raw Water Out let

'Not Used O n All Installations

FIG. 2.18 ~ i s t e m ad- c E n f r i a m i c n t o

2 . C d o de entruda de agua 3 Reborde de drenaje del slstenu

1

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