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INNOVACIONES EN EL MUNDO HVAC (Continuación)

INNOVACIONES EN EL MUNDO DEL HVAC

EL DESAFÍO HIPERSÓNICO DEL SIGLO XXI

El 2015 disertábamos sobre el motor híbrido (cohete-reacción) SABRE, un gran esfuerzo de la industria británica por llevar las velocidades hipersónicas al campo de la aviación comercial. Cualquiera puede ver el artículo de entonces AQUÍ

En esta ocasión nos referiremos a otro tipo de motor, que ha recibido también un gran impulso desde los comienzos de este nuevo siglo: el estatoreactor hipersónico, que es conocido en inglés como "scramjet", del que puede decirse que es la, hasta el momento, más elevada evolución de los motores de reacción:

Esta pequeña comparación nos hace ver el "salto tecnológico" que representa este motor; desde el turbojet (o turbofan) que usa la mayoría de aviones comerciales hasta hoy en día, pasando por el estatoreactor sónico (ramjet) y el que estamos viendo en esta ocasión: scramjet o estatoreactor hipersónico (estos dos últimos tienen aplicación fundamentalmente militar). La diferencia escencial para los dos últimos es la total ausencia de partes móviles o rotores (compresor y turbina) y la geometría de los estatores. Pero el sistema de combustión es análogo en (b) y (c) :

El empuje "F" del motor dependerá en gran medida de una diferencia de presiones (tercer sumando), como puede observarse. En el caso de los estatoreactores hipersónicos, el flujo de escape no desacelerará a un nivel subsónico para lograr este cometido.

La alta velocidad hace que el control del flujo dentro de la cámara de combustión sea más difícil. Dado que el flujo es supersónico, no se propaga ninguna influencia hacia abajo dentro de la corriente libre de la cámara de combustión. La regulación de la entrada a la boquilla de empuje no es una técnica de control utilizable. En efecto, un bloque de gas que ingresa a la cámara de combustión debe mezclarse con el combustible y tener tiempo suficiente para iniciarse y reaccionar, mientras viaja supersónicamente a través de la cámara de combustión, antes de que el gas quemado se expanda a través de la boquilla de empuje. Esto impone estrictos requisitos sobre la presión y la temperatura del flujo, y requiere que la inyección de combustible y la mezcla sean extremadamente eficientes. Las presiones dinámicas utilizables se encuentran en el rango de 20 a 200 kilopascales.

Tanto la tasa de combustión, la presión y la temperatura en el motor también deben ser constantes. Esto es problemático porque los sistemas de control de flujo de aire que facilitarían esto no son físicamente posibles en un vehículo de lanzamiento de scramjet debido a la gran velocidad y rango de altitud involucrados, lo que significa que debe viajar a una altitud específica a su velocidad. Debido a que la densidad del aire se reduce a mayores altitudes, un scramjet debe escalar a una velocidad específica a medida que acelera para mantener una presión de aire constante en la admisión. Este perfil óptimo de ascenso / descenso se denomina "trayectoria de presión dinámica constante". Se piensa que los scramjets pueden ser operables hasta una altitud de 75 km.  La inyección de combustible y su manejo también es potencialmente complejo. Una posibilidad sería que el combustible se presurice a 100 bar mediante una bomba turbo, que se caliente con el fuselaje, se envíe a través de la turbina y se acelere a velocidades más altas que el aire con una boquilla. La corriente de aire y combustible se cruzan en una estructura similar a un peine, que genera una gran interfaz. La turbulencia debida a la mayor velocidad del combustible conduce a una mezcla adicional. Los combustibles complejos como el queroseno necesitan un motor largo para completar la combustión.

SUBMARINOS NUCLEARES - EL PODER OCULTO

La noticia tecnológica más sorprendente del mes de abril ha sido, en mi concepto, la botadura del novedoso submarino nuclear ruso Belgorod. Precísamente, con el afán de encontrar la mayor cantidad de información al respecto es que me animé a preparar un artículo relativo al funcionamiento y las prestaciones en general que brindan estas relativamente modernas naves de guerra y que, hace mucho tiempo ya, ya han pasado a convertirse en punta de lanza de flotas navales, al menos entre las principales potencias económicas y militares del mundo.

Un submarino nuclear es aquel impulsado por la fuerza motriz de un reactor nuclear, lo que le brinda la capacidad de estar sumergido incluso durante meses. Sus aplicaciones son fundamentalmente militares estratégicas, papel que en su momento desempeñaron los poderosos buques acorazados de superficie y luego los gigantescos misiles intercontinentales de silos terrestres, a comienzos y fines del siglo XX, respectivamente. Véase un esquema genérico:

No se piense que el reactor nuclear del submarino es simplemente "la fuerza propulsora" de este, pues además suministra energía a todos los sub-sistemas de potencia como pueden ser los de alumbrado, acondicionamiento de aire, tratamiento de aguas, etc. Todo esto, aunado a la alta durabilidad del combustible nuclear (¡hasta 30 años!), lo han convertido en un dispositivo altamente eficiente. 

Estos reactores han pasado por un rápido proceso evolutivo debido no sólo a las necesidades bélicas durante la llamada "Guerra Fría", sino también lo relacionado a la seguridad de la tripulación y la prevención de contaminaciones nefastas. Podemos ver aquí el reactor de un submarino clase Borei ruso, de segunda generación (fines de los años 80 del siglo pasado):

Este es un reactor de agua presurizada, su combustible es el uranio U-235 altamente enriquecido. Puede apreciarse aquí la "protección biológica" que viene a ser el escudo de neutrones, no obstante siguen constituyendo un reto el hacer que el combustible aminore daños debido a "alta radiación" que afecta el rendimiento tanto del "proceso de combustión" como del mismo combustible. Este diseño de reactor pertenece a la clase "Borei", generación de submarinos rusos y activa desde fines del siglo XX.

Tal como se pudo apreciar en el primer esquema, esta clase de submarinos posee dimensiones considerables. Los de clase "Borei" por ejemplo, tienen una eslora promedio de 170 m (como un buque importante de superficie), múltiples comodidades para tripulantes y dos tipos de armamento: Convencional (torpedos , misiles antibuque)  y  Nuclear (misiles intercontinentales). La armada rusa posee hoy en día una surtida variedad de submarinos, en seria competencia con las más recientes innovaciones por parte de EEUU en este campo (clase Virginia, activa desde comienzos del presente siglo) y para demostrarlo está precisamente el K-29 Belgorod, lanzado apenas hace algunas semanas y está considerado, por sus dimensiones, como el más grande del mundo (184 m de eslora y una manga de 18,2 m) y también único en el mundo portador de "drones submarinos" nucleares (un proyecto de la era soviética que ya es realidad. Véase el vídeo:

DISEÑO MECÁNICO DE TOLVAS INDUSTRIALES (MODELO DE CÁLCULO CON USO DE TABLAS Y GRÁFICOS)

A solicitud de ya casi un centenar de amigos lectores, y sobre todo considerando que este blog se encuentra este mes de aniversario, justo es pues celebrarlo con un artículo especial que viene a ser el complemento práctico de tres artículos publicados en secuencia hace dos años, que han tenido bastante acogida, y me refiero al diseño de tolvas, que tan útil e importante es a nivel de los sectores industrial, químico, pesquero  o minero en nuestros países, pero que tantas confusiones y malas interpretaciones acarrea en su diseño.

Proponemos pues, el “diseño básico” de una tolva con fines prácticos, pero advertimos que este modelo de cálculo presentado es sólo un caso ficticio y tiene como finalidad el enseñar a usar de manera ordenada y coherente las tablas, gráficas y todas las expresiones que fueron expuestas en los artículos mencionados, por lo que forzosamente deben ser revisados para una completa comprensión de lo que aquí se desarrollará.

Nos proponen lo siguiente:

En una fábrica  requerimos  llevar 5000 kg de arroz pelado (grano largo) por hora hacia un molino para producir harina especial.  Diséñese una tolva rectangular (ranura simétrica) con capacidad de 2 toneladas métricas para este propósito, indicando dimensiones básicas (parte recta y parte truncada).

Tenemos los datos del material (tabla II)

Arroz (tamaño de partículas 6,2 – 6,6 mm)

Densidad  900 kg/m3  

Angulo de fricción interna (φ):  33°

Ángulo de fricción de pared (δ) : Según la tabla III, estamos ante un material con d>0,2 mm, por lo cual nos corresponde un δ= 0,6φ  (descarga);  luego δ= 19,8° .

Con estos dos ángulos, y dado que deseamos una tolva rectangular (bisel  o chaflán), nos corresponde ir a la tabla IV (f 4.7), para obtener un ángulo de pared de aproximadamente 35°.

Conocido este ángulo de pared (comúnmente llamado “de descarga”), podemos ir a la tabla V para la definición preliminar; observa que obtenemos un factor de forma m = 0.

ESTIMACIÓN DEL ANCHO MÍNIMO DE DESCARGA DE LA TOLVA:

Primero se hace necesario estimar la  “función de flujo de material” MFF, y la “función factor de flujo del sistema), definida como “1 / ff”  siendo “ff” conocido como “factor de flujo”  (TABLAS 7, 8 y 9).

Para nuestro caso estamos usando la tabla 7;  ff ≈ 1,75,  luego 1 / ff ≈ 0,57143

Recordando que:  fc = σ^Tanδ = σ^0,36   (en kPa)

Reemplazamos valores:

Trazamos las gráficas de ambas funciones para obtener el Esfuerzo Crítico Aplicado, CAS:

 Obtenemos un CAS de 1,39 (en KPa)

Ahora proponemos dos nuevas expresiones que nos ayudarán a determinar el ancho mínimo solicitado:

Por encontrarnos en el segundo caso, evaluaremos la función H(ϴ) con ϴ = 35°: H(ϴ) = 1,1944

El valor de “w” correspondiente será:  w = (1,1944)(1,39 x 1000))/(900 x 9,81) =  0,188 m  (vendría a ser el "ancho mínimo" para evitar obstrucción de salida)

Nuestra tolva es de FLUJO MÁSICO (PRIMER ARTÍCULO RELACIONADO) de modo que nos corresponde utilizar la ECUACIÓN DE JOHANSON (TERCER ARTÍCULO RELACIONADO ) para verificar el ancho mínimo. Teniendo en cuenta la recomendación correspondiente, asumimos:  L/w = 3,5.
y además w = 0,31 m (observe que es mayor al "w mínimo")

De los datos:

Flujo másico = 5000kg / 3600 seg. = 1,39 kg/seg

Densidad  900 kg/m3  

B = w (tolva rectangular) ; A = 3,5 w²

m = 0

ϴ = 35°

Despejando la variable:  w = 0,03082 m

Este ancho es inferior al mínimo requerido. Para este flujo necesitaremos además un sistema dosificador.

Nos quedamos de esta forma con w= 0,31 m ; L = 1,1 m

DIMENSIONADO COMPLEMENTARIO:

Avanzamos hacia arriba y decidimos un W = 0,88 m, de modo que, aplicando las fórmulas de “altura de sección variable” (ver tablas) tendremos que:  h0 = 0,628 m ;  hB = 0,219 m; finalmente, la altura de la sección truncada será:   h = h0 – hB =  0,409

El volumen obtenido hasta el momento es:  V(truncado) = 0,243 m³

El volumen de la tolva se calculará a partir de su capacidad en kilogramos y la densidad del material:   V = (2 x 1000 kg)/900 kg/m³ = 2,22 m³

Nos faltarían: 2,22 – 0,243 = 1,977 m³  que corresponden a la parte recta. Corresponde entonces una altura H de 1,977/(0,88 x 1,07) = 2,1 m (a la cual, naturalmente, ha de añadírsele un margen de seguridad para llenado).

CÁLCULO DE ESFUERZOS:

Estos esfuerzos, como se indicó, nos ayudarán a dilucidar respecto a otros aspectos fundamentales del diseño como verificar el espesor óptimo de plancha de acero así como de las armaduras y estructuras de soporte.

En el TERCER ARTÍCULO RELACIONADO se dieron las expresiones correspondientes. Con nuestro δ conocido, obtenemos el K "máximo que resulta de 0,542;  con z = 2,509 m (altura de tolva) ; μ=0,36, obtenemos:

Pv = 10162,687 Pa

Pw = 5508,177 Pa

Valores para los que una plancha de 1 - 1,2 mm garantizarán un óptimo desempeño (ojo, sólo en este caso).

Espero sea este artículo de mucha utilidad y sobre todo de orientación para quienes desean efectuar el diseño de una tolva utilizando criterios modernos, coherentes y ordenados. Nos veremos el mes que viene.

ANÁLISIS DE PROBLEMAS TÉCNICOS EN DUCTOS DE VENTILACIÓN (CONTINUACIÓN)

Cada vez que se enciende el sistema de calefacción o aire acondicionado, el aire entra por los conductos de suministro y por los conductos de retorno. Si la unidad (o equipo) de HVAC es el corazón, los conductos de suministro son las arterias (que llevan sangre al corazón) y los conductos de retorno son las venas (que llevan la sangre de regreso al corazón).

Los conductos de aire que pasan por determinada instalación son un componente vital de todo sistema HVAC. Desafortunadamente, es posible que se sorprenda al descubrir cuántos sistemas de HVAC y sistemas de conductos están instalados incorrectamente.

El tamaño y la instalación inadecuados de HVAC causan facturas de energía elevadas, menor rendimiento, peor calidad del aire interior y deficientes distribución del aire. Si su ducto tiene un montón de fugas de aire y sistemas de ductos mal diseñados, definitivamente tendrá una peor calidad de aire interior y mayores facturas de energía que aquellos con ductos sellados y aislados.

Señales de una mala instalación del conducto

A continuación hay algunos signos comunes de conductos mal instalados:

*Fugas en conductos de aire

Las fugas en los ductos hacen que un equipo de HVAC trabaje más. Además de perder aire acondicionado, si los conductos no están lo suficientemente apretados, la presión de aire negativa puede aspirar aire sucio. Las fugas en los conductos de aire son especialmente problemáticas en sótanos, espacios de acceso, garajes y áticos.

Se hace necesario bucar grietas, huecos y conexiones defectuosas alrededor de todas las juntas de sus conductos de aire. Considerar asimismo la posibilidad de programar el sellado profesional de conductos de aire si se sospecha que hay conductos con fugas.

Aunque no se crea, las alergias y otros problemas asociados con una cantidad excesiva de polvo, puede deberse a conductos con fugas considerables. Las fugas en ductos no solo liberan aire acondicionado, sino que también permiten la entrada de aire, polvo y escombros.

Los signos de conductos de aire con fugas incluyen:

*Cuentas altas por energía

*Las habitaciones son difíciles de calentar o enfriar.

*Las habitaciones parecen tapadas e incómodas.

*Los ductos que corren a través de sótanos, áticos, espacios de acceso o garajes.

Se hace necesario observar conductos enredados, sueltos, colapsados ​​o dañados.

*Puntos fríos y calientes, temperaturas ambiente inconsistentes

Si experimenta puntos calientes y fríos, y otros problemas de comfort, puede tener conductos de tamaño inadecuado o problemas con el flujo de aire.

Los conductos y las rejillas de tamaño inferior restringen el flujo de aire y pueden ser causa  incomodidad y problemas de temperatura. Si observa un flujo de aire fuerte y ruidos extraños, como silbidos y estallidos, es posible que tenga conductos de tamaño inadecuado o bloqueos de ventilación y registros. .

ANÁLISIS DE PROBLEMAS TÉCNICOS EN SISTEMAS DE DUCTOS DE VENTILACIÓN