LA INGENIERÍA DE LOS INCAS

¿CÓMO SE CONSTRUYERON EDIFICIOS TAN MARAVILLOSOS COMO LOS QUE SE VEN EN MACHU PICCHU?. Hace unos meses, no recuerdo exáctamente si fue en Discovery o History Channel , que tuve oportunidad de ver cierto documental relativo a “hipotéticas técnicas de edificación” utilizadas por el pueblo Inca y no pude evitar una sonrisa mientras los investigadores estadounidenses describían curiosos artilugios que “probablemente” se hayan utilizado para el acarreo, la puesta a punto y la instalación de esos enormes bloques de piedra en la construcción de templos, palacios y fortalezas, hoy en dia mundialmente admirados.

Detalle del mural "Costrucción de una ciudad", que se puede ver en la 6° sala del Museo Inca del Cuzco. Con algunos aciertos, parece más inspirado en cierto bajorrelieve Asirio que en información histórica del antiguo Perú.

Para mí es difícil creer que los Incas hayan empleado métodos análogos a babilonios o egipcios (pueblos que conocieron la rueda), por ejemplo para desplazar tamaños bloques de piedra con uso de palancas, rodillos, etc. Los cronistas del siglo XVI como Huamán Poma de Ayala y el Inca Garcilazo citan detalles de dicha faena y leyendo sus textos podemos darnos cuenta de que para ello no se empleaban 300, 400 ni 500 hombres…era labor de ¡miles de ellos!. Era, como podrá comprenderse, un trabajo titánico, penoso y no exento de lamentables y terribles accidentes, como aquel que inspirara la leyenda de la “piedra que llora sangre”; he aquí algunos fragmentos al respecto, tomados de “Los Comentarios Reales” del Inca Garcilazo:

"La Piedra que lloró Sangre", según Huamán Poma de Ayala.

No se describe ningún dispositivo o método especial de transporte. Nada más que la fuerza y las “maromas” de más de un millar de hombres tirando de ellas por delante y por detrás. Véase a continuación una técnica que se ajusta más a la descripción del Inca Garcilazo:

Arrastre por rotación de un bloque de piedra aprovechando "accidentes de terreno". No se requiere de palancas rígidas ni rodillos sinó únicamente sogas. Una teoría más aceptable, en mi concepto.

La puesta a punto de los bloques de piedra, esto es, el desbaste, pulido y acabados tampoco eran, desde luego, labores sencillas. Quienes han observado por ejemplo, en el Cuzco a las famosas “piedras cansadas” cuyo rastro va desde las canteras de Rumicolca, no puede menos que maravillarse al reflexionar que allí no se utilizaron herramientas sofisticadas de corte ni pulido, sino el sistemático golpe del canto rodado, el corte mediante “guijarros negros y duros de los ríos” según cita otro cronista, el español Bernabé Cobo, también del siglo XVI, en su “Historia del Nuevo Mundo”.

Etapas de labrado de la piedra de construcción y una representación (según Huamán Poma) del trabajo de edificado.

Respecto a la instalación de los bloques para superponerlos en hileras, tampoco era desconocido el uso de “terraplenes” o planos inclinados temporales que “tanto iban levantando cuando iba creciendo el edificio”, es lo que cita Huamán Poma sobre el particular.
Y el detalle que más llama la atención, el “perfecto empalme” de las piedras, cual gigantesco rompecabezas. No obstante es posible atribuir tal “perfección” a un previo huelgo entre las piedras, que, por efecto del peso propio sumado al de los bloques de hileras superiores, tendían estas a su “autoacomodo” con el transcurrir del tiempo . Ver esquema:

Y precisamente el tiempo es algo que pocos observadores indagan al interesarse por los detalles de las edificaciones Incas. Sólo la puesta a punto de un bloque de piedra, de regular tamaño podía ser cuestión de hasta 3 meses de labor, mientras que una edificación como la gran Fortaleza de Sacsayhuaman, llevó alrededor de ¡100 años! (siglo XV al XVI).




LA INGENIERIA HIDRÁULICA.

La hidráulica de canales e irrigación ha sido otro logro notable de la cultura Inca. Respecto a este tema se han realizado números estudios y “redescubrimientos” interesante; se tiene por ejemplo un mejor concepto de “cómo es que funcionaba el sistema en conjunto”. El esquema de abajo nos ilustra esto último:
Desde el represado de cauces naturales de agua, pasando por acueductos (muchos de los cuales aún en uso), llegando hasta las andenerías (terrenos agrícolas en altitud) , hasta las “amunas” o sistemas de “recarga subterránea” de manantiales y lagunas, hasta los llamados “waru waru” o “camellones” que permitían la humedad óptima de terrenos agrícolas en zonas de menor altitud, y más lejos aún…hasta las ciudades y centros ceremoniales. Todo ellos estaba complementado con la permanente observación de los cambios climáticos para sembríos, cosechas y alternancia de cultivos.
No obstante la dependencia de periodos constantes de lluvias dan cuenta de sus limitaciones.

Andenería Inca en la ciudadela de Machu Picchu

Chimeneas de presión . En los tramos cubiertos de acueductos, servían para mantener constante el flujo de agua y aminorar pérdidas energéticas.

Sistema de sembrio WARU WARU, tal como se describió más arriba, aún se le utiliza como tal en el departamento de Puno .

Sistema de Amunas o recarga de flujo subterráneo

Antigua represa, ubicada en el departamento de Ancash.

Una idea excelente para nuestra agricultura actual en las provincias altas es el repotenciamiento del antiguo sistema de irrigación y la ampliación del mismo hacia otros sectores, todo ello complementado con el toque de modernidad, que sería el bombeo de aguas de la selva a las lagunas y represas de la región andina (que también abastecen de agua a muchas ciudades de la costa) utilizando electricidad generada por el gas de Camisea. No es un planteamiento novedoso ni original, pero es muy factible.
¿Y eso es todo lo que hay que decir sobre la Ingeniería Inca?; pues aún faltaría sitio para hablar sobre la tecnología de los puentes, caminos, observatorios, sistemas de medición de tiempo y conteo, etc., etc. Pero ello será tema de un próximo artículo. Este ha sido mi pequeño homenaje al pueblo que edificó Machu Picchu, la notable ciudadela del Cuzco que este mes ha cumplido 100 años de redescubrimiento. Gracias nuevamente y hasta el mes que viene.

SISTEMAS HIDRÁULICOS (TERCERA PARTE)

Corresponde en esta ocasión hacer referencia a los problemas y fallas que se presentan en cada componente del circuito hidráulico. Empezaremos con las bombas:

Las fallas pueden ser diversas y será difícil aislar la causa inicial. A su vez, las causas pueden ser muchas pero las podemos agrupar como sigue:

- Contaminación por materias finas.
- Contaminación por materias gruesas
- Aereación
- Cavitación
- Falta de aceite
- Presión excesiva
- Tolerancia insuficiente
- temperatura elevada del aceite
- Ensamble e instalación incorrecta

CONTAMINACION POR PARTICULÁS FINAS

El desgaste abrasivo causado por partículas finas es la más común de las fallas de bombas.
La suciedad y otras materias extrañas circulan a través del sistema causando desgaste en todos los componentes especialmente en las placas de presión, lumbreras del cuerpo y en el área del cojinete del eje en las bombas de engranaje. En la bomba de paletas produce desgaste en las paletas y en sus ranuras permitiendo que el aceite escape. Al mismo tiempo se produce una pérdida de control de las paletas las cuales rebotan causando rayaduras al anillo.
La suciedad puede entrar al sistema por sellos desgastados o si se le da servicio en condiciones sucias. Por eso se recomienda siempre limpiar la tapa del tanque, embudos y toda el área de llenado antes de abrir el tanque. Chequee el sello limpiador de la varilla del cilindro si trabaja correctamente.

CONTAMINACION POR MATERIAS GRUESAS

La presencia de estas materias resulta comúnmente de fallas de otros componentes en el sistema hidráulico o de un lavado deficiente después de una falla anterior.
Los daños por estas partículas pueden ocurrir en cualquier momento y repentinamente dependiendo de la cantidad y tamaño de las partículas. Indicativo de estos daños son las rayaduras en la superficie de las placas de presión, rayaduras del eje del cojinete; desgaste en las ranuras en la superficie del cuerpo de la bomba que hace contacto con la punta del diente del engranaje. En la bomba de paletas se observarán exceso de raspaduras y ondulaciones en el anillo, las partículas metálicas pueden llegar al extremo de atascar el motor entre las placas torciendo o rompiendo el eje.
De allí la importancia del cuidado que se debe tener con el conjunto de filtrado y colador magnético de partículas.

AEREACION Y CAVITACION

La Aereación y cavitación son discutidos juntos debido a que actúan en forma muy semejante en el sistema. En ambos casos, el vapor del aceite y las burbujas de aire en el aceite causan daño
s en las bombas.
Este fenómeno se produce al comprimirse y expandirse rápidamente las burbujas de vapor de aire que se mezcla con el aceite.
La Aereación se origina por el aire que entra al sistema por conexiones flojas, por una pequeña fuga o por la agitación del aceite en el tanque.
La cavitación se origina usualmente por la restricción de la línea de succión de la bomba, creando vacíos en el sistema.
La Aereación y cavitación erosiona o pica las placas de presión y la caja de la bomba de engranajes. En la bomba de paletas erosiona, raspa y ondula el anillo, desgasta los bordes y puntas de las paletas.
Se recomienda comprobar la viscosidad del aceite, el grado, que no produzca espuma y el ajuste de la máxima presión.

FALTA DE ACEITE

La falta de aceite puede causar una falla casi instantánea de la bomba y puede ocurrir por: un bajo nivel de aceite en el tanque, gran succión de aire por la línea, funcionamiento en pendientes muy inclinadas, suciedad o conexiones flojas, viscosidad del aceite, etc.
Los componentes de una bomba tomarán el color azul rápidamente por el recalentamiento.

PRESION EXCESIVA

La sobre presión puede deberse a que la válvula de alivio no cumple su función. Esto produce grandes y repetidas vibraciones de excesiva presión. O puede deberse a una regulación muy alta de la válvula de alivio.
Como consecuencia puede ocurrir la rotura del eje o rajadura de la caja en una bomba de engranajes.

TOLERANCIAS INSUFICIENTES

Las luces deben ser las correctas, de lo contrario se producirán fallas a pocas horas de funcionamiento.

TEMPERATURA ELEVADA DEL ACEITE

El calor excesivo pondrá negro las placas de presión y engranajes, y endurecerá los anillos o sellos. Si el calor excesivo es de corta duración, una temperatura de más de 3000°F es suficiente para producir estos problemas.
La temperatura elevada resultará de una válvula pegada o de una válvula de alivio regulada a muy baja presión.

CONCLUSION

Las presiones altas imponen grandes esfuerzos a todos los componentes del sistema hidráulico. Al mismo tiempo se requiere aumentar la confiabilidad para tener operaciones seguras; por lo tanto, es esencial un cuidadoso mantenimiento preventivo para reducir los períodos de fallas, extender la vida de servicio, ciclos rápidos y lograr una operación segura de la máquina.
Son esenciales para el rendimiento adecuado de la bomba hidráulica, aceite limpio del grado correcto, cambio regulares de filtro y frecuentes inspecciones de todos los componentes del sistema hidráulico.

SISTEMAS HIDRÁULICOS (SEGUNDA PARTE)

COMPONENTES DE UN SISTEMA HIDRAULICO

TANQUE: Depósito de aceite para suministro del sistema hidráulico.

REQUERIMIENTOS: Capacidad adecuada, por lo general sellado, pero no siempre, debe mantenerse limpio y debe tener suficiente resistencia. Se diseñan para evitar la recirculación continua del mismo líquido. Existen desviadores que constituyen una forma de amortiguar la turbulencia. Además, el aceite tiene tiempo de refrescarse antes de retornar al sistema. Por otro lado, el tubo de admisión de la bomba está bien debajo de la superficie de aceite, pero sobre el fondo del tanque. De esta forma se reduce las posibilidades de cavitación debidas a la falta de aceite y también se evita la admisión de los sedimentos que se depositan en el fondo.

NOTA.- La suciedad es el peor enemigo de los componentes del sistema hidráulico. Se debe tener mucho cuidado para evitar que penetre al sistema. Asegúrese antes que nada, que el recipiente y el aceite que use para llenar el tanque estén limpios.

BOMBA HIDRAULICA: Es el corazón del sistema hidráulico. Su trabajo, si no nos falla la memoria, es crear flujo y no presión.
La bomba puede ser de engranajes, de paletas o de pistones.

a) BOMBA DE ENGRANAJES: Es de desplazamiento positivo, es decir una bomba en el cual el desplazamiento (caudal) por revolución no puede variarse.

VENTAJAS:
- De desplazamiento positivo: El caudal es constante dentro de una manera razonable sin importar la resistencia al flujo.
- Filtraciones pequeñas: La disminución en la cantidad de descarga debida a filtraciones que vuelve a la admisión es pequeña.
- Compacta. La unidad es compacta.

DESVENTAJAS: Limitada a aplicaciones de baja presión, debido al desequilibrio hidráulica (Cualquier presión excesiva que exista en la salida aplica una fuerza en los engranajes, produciendo la deflexión del eje).

b) BOMBA DE PALETAS: Pueden ser
- De paletas rectas: Las ranuras para las paletas en el motor son rectas desde el centro, por lo tanto la bomba puede girar en cualquier dirección.
- De paletas rebajadas: La paleta tiene un rebajo en el cual actúa el aceite a presión que junto con la fuerza centrífuga mantiene las paletas contra el anillo.
- De paletas con resorte: Las paletas son mantenidas contra el anillo en el lado de descarga por los resortes, la fuerza centrífuga y la presión de aceite detrás de la paleta.
- De inserto en las paletas: La presión del aceite entre la paleta y el extremo de un inserto de acero que se desplaza en una ranura cortada en la paleta ayudan a mantener la Paleta contra el anillo.

VENTAJAS:
- Mayor caudal: El ajuste preciso entre las paletas y el anillo aumenta el caudal de estas bombas con respecto a las bombas de engranajes
- Desplazamiento Positivo: El caudal disminuye poco a medida que la resistencia al flujo aumenta.
- Equilibrio hidráulico: La mayor parte de las bombas de paletas son equilibradas hidráulicamente (note que las salidas están en lados opuestos, al igual que las entradas. Las fuerzas que se oponen se equilibran entre ellas y reducen las cargas en los cojinetes y la deflexión en e] eje)

DESVENTAJAS:
- Gran cantidad de partes: muchas partes mecánicas, costo elevado.
- Más difícil de mantener que las bombas de engranajes: Pequeñas cantidades de materias extrañas causan desgaste rápido, debido al roce de las paletas.

FILTRO DE ACEITE: Dispositivos para separar las partículas o sólidos que se hayan en suspensión en el aceite. El aceite puede filtrarse en cualquier punto del sistema.

En muchos sistemas hidráulicos, el aceite es filtrado antes de que entre a la válvula de control. Para hacer esto se requiere un filtro más o menos grande que pueda soportar la presión total de la línea. Colocado el filtro en la línea de retorno tiene también sus ventajas. Unas de las mayores es su habilidad de atrapar materiales que entran al sistema desde los cilindros. El sistema impedirá que entre suciedad a la bomba. Esto es verdad siempre que no se agreguen materias extrañas al tanque,
Cualquiera de los dos tipos de filtro en las tuberías debe equiparse con una válvula de derivación.

VÁLVULA DE CONTROL O DIRECCIONAL: Consiste en un carrete con dos o más bandas maquinadas que puede moverse dentro de una perforación o cuerpo de válvula. El juego entre las bandas de la válvula de carrete y la perforación en el cuerpo de la válvula es sumamente pequeño el ajuste de alta precisión de la válvula al cuerpo, necesario para impedir filtraciones a presión alta requiere limpieza absoluta para evitar desgastes prematuros. A fin de impedir distorsión del cuerpo de la válvula y atascamientos es necesario dar el torque correcto a todos los pernos al armar.
Las válvulas de control del tipo de carrete son válvulas deslizantes. Puesto que el carrete se mueve hacia adelante y hacia atrás permite que el aceite fluya a través de la válvula o impida su flujo.

VALVULA DE PRESION MAXIMA O VALVULA DE ALIVIO: Son válvulas limitadoras y que no controlan la presión actual de trabajo. Solamente la carga controla esta presión. Recuerde que la bomba no produce presión. La presión es el sistema hidráulico es el resultado de la restricción al flujo y la presión en cualquier momento dependerá de la carga aplicada en el cilindro hidráulico.

LA CELDA DE COMBUSTIBLE

El mes pasado nos referimos al improbable sustituto de los actuales motores de combustión interna como fuente de potencia primaria, el Stirling. El presente vamos a referirnos al candidato con mejores posibilidades: la celda de combustible. Es un mecanismo que transforma la energía química directamente en energía eléctrica, sin existir combustión. Similares a las baterías, las celdas a combustible están compuestas de dos electrodos (uno positivo, el cátodo y otro negativo, el ánodo) con un conductor electrolítico entre ellos. Mientras tanto, difiere de la batería por no haber necesidad de recarga, produciendo energía desde que el combustible sea suministrado.
Teóricamente se pueden utilizar varios tipos de combustibles. En la actual fase de las investigaciones, el hidrógeno es el que presenta un mejor rendimiento. El hidrógeno se puede generar del metanol, etanol, gas natural, propano y otras combustibles hidrocarbonados.

En ese mecanismo, en la medida que los electrodos tienen contacto con los gases reactivos (hidrógeno par el electrodo negativo y oxigeno o aire atmosférico para el electrodo positivo) existe una diferencia de potencial entre los mismos. Esta diferencia de potencial de la célula a circuito abierto es del orden 1.0 V, lo que ya genera energía.
Uno de los componentes específicos para la célula a combustible es la matriz, usualmente compuesta de carburo de silicio (SiC) y politetrafluoretileno (PTFE), que es lo que retiene el electrolito y se usa entre pares de electrodos difusores de gases (H2 y O2). Esas matrices deben ser lo suficientemente porosas para que el electrolito se quede permanentemente retenido, dejándolo apenas humedecido, y evitando de ese modo la mezcla de gas. Además, las matrices deben ser un aislante electrónico, tener una buena estabilidad química, tener buena conductividad ionica y poseer una espesura adecuada para minimizar la polarización ohmica entre los electrodos.

La resistencia de la matriz es una característica importante por ser la principal responsable de la inclinación de la curva de control corriente vs. potencial. Se han realizado investigaciones sobre el desempeño de células a combustible utilizándose mezclas de carburo de silicio, carburo de niobio y silicato de circonio, con el objetivo de mejorar el potencial de la célula a altas densidades de corriente.

También es importante observar que hay distintos tipos de células a combustible que son generalmente catalogadas de acuerdo con el electrolito utilizado. De ese modo tenemos las células de ácido fosfórico, de electrolito polimérico sólido, alcalina, de carbonatos fundidos y de óxido sólido.
Las células que se encuentran en la fase de investigación más desarrollada son las del ácido fosfórico. En este tipo de célula el electrolito usado es el ácido fosfórico (H3PO4) concentrado (95−98%), con una temperatura de operación entre 180 y 200o C., que no se ve afectado por el CO2, CO ( < 1%, pues en caso contrario el catalizador resulta envenenado) y otras impurezas. De ese modo, la célula puede utilizar como agente oxidante directamente el aire atmosférico, y puede operar con hidrógeno impuro producido a través de latransformación de otros combustibles. El CO2 formado como subproducto del proceso de transformación pasa a través de la célula sin comprometer su funcionamiento. Las reacciones de reducción de oxígeno y oxidación del hidrógeno se operan de forma más eficiente usando como catalizador el platino, disperso sobre polvo de carbono y conteniendo un adicionado de politetrafluoretileno (PTFE). Esas células se pueden disponibilizar en diferentes tamaños, que van desde pequeñas unidades portátiles de 250 wats a generadores capaces de suministrar 200 kilowatts de electricidad. De ese modo, células a combustible de ácido fosfórico están indicadas para edificios y vehículos pesados.

EL MOTOR STIRLING

Este motor fue inventado por el Reverendo escocés Roberto Stirling en 1816 y se presentó en su época como la “alternativa segura” a las entonces predominantes “máquinas de vapor”, cuyas calderas de diseño rudimentario eran altamente explosivas. Se afirma que un motor Stirling puede tener eficiencia teórica superior a la de un motor convencional, sea gasolinero (Otto) o petrolero (Diesel), aunque es, por el momento, incapaz de reemplazar a estos últimos debido a la baja potencia de salida que lo caracteriza. No obstante jamás fue descartado del todo, como iremos viendo. El ciclo termodinámico ideal del motor Stirling consta de 4 etapas: Compresión y expansión ( isotérmicas) adición y expulsión de calor (isométricas) Este motor utiliza una fuente de calor fija para calentar gas (aire, vapor de agua, etc.). El cambio de presiones en el gas (debido al salto de temperatura alta a baja) es lo que produce el funcionamiento. Una volante de inercia o hélice con giro suave es necesaria para el arranque.

Como puede apreciarse, el motor Stirling es un motor de combustión externa, tal como la clásica “maquina de vapor”. Inicialmente fue, en efecto, una alternativa a dicha máquina allí donde no se requería mucho esfuerzo de impulso, como en el caso de ventiladores, bombas y compresores de aire. La aparición de motores térmicos de ciclo más eficiente en la segunda mitad del siglo XIX hizo relegar momentáneamente al Stirling que reaparecerá en los años 30 del siglo XX cuando la Philips empieza a probar su factibilidad en generadores eléctricos para radios.

En el campo automotriz, son conocidos los estudios de la General Motors que se llevaron a cabo entre 1958 y 1970 con el fin de encontrar aplicación del motor Stirling a su industria. Así en 1985 se hicieron pruebas en un Chevrolet Celebrity con pobres resultados, de modo que las innovaciones técnicas de los motores existentes en el mercado hicieron dejar de lado temporalmente los proyectos. Hay un par de características clave que hacen poco práctico su uso en autos, buses y camiones. Debido a que la fuente de calor es externa, se necesita un intervalo de tiempo para que el motor responda a los cambios en la cantidad de calor que se aplica al cilindro; toma tiempo para que el calor sea conducido a través de las paredes del cilindro y el gas en el interior del motor. Esto significa que:

• El motor requiere mucho tiempo para calentar antes de que pueda producir potencia útil.

• El motor no puede cambiar su potencia rápidamente.

Estas deficiencias impiden que este motor sustituya al de combustión interna.

El primer motor Stirling híbrido fue probado en 1995 en un Chevrolet Lumina y tampoco pudo satisfacer expectativas en cuanto a eficiencias y nuevamente se abandonó la idea de su aplicación entre los fabricantes de autos. Las idea básica del sistema híbrido es, pese a todo, una alternativa factible como fuente primaria para la generación de energía eléctrica. Ver el esquema de la planta de cogeneración de 35 Kw propuesta por H. Carlsten en la década de los 90, a partir de la combustión de biomasa.

Este sistema fue diseñado para generar electricidad en hogares y empresas, utilizando energía solar como fuente de calor en días despejados y biogás durante las noches o en días nublados. Sin embargo, los motores Stirling hoy en dia sólo tienen algunas aplicaciones muy especializadas, como en los submarinos, los edificios inteligentes, o generadores de potencia auxiliar para yates, donde un funcionamiento silencioso es importante, cuando hay una demanda de un motor de baja velocidad, de salida constante de potencia, y sin sobrecargas.

Lo contrario sucede con el ciclo inverso de Stirling (de refrigeración), donde utilizando sustancias de trabajo como el helio o el hidrógeno han posibilitado temperaturas de hasta 10K. La misma empresa Philips tuvo éxito comercial con este ciclo en los años 70 del siglo que pasó.

Si tenemos que resumir las ventajas, podemos afirmar que:

1. Los gases en el interior de un motor Stirling no salen nunca del motor. No hay válvulas de escape para ventilar los gases de alta presión, como en los motores de gasolina o diesel, y no hay explosiones internas. De este modo, los motores Stirling son casi silenciosos.

2. El ciclo de Stirling utiliza una fuente de calor externa, que puede ser cualquiera desde sol, calor geotérmico, combustibles fósiles, calor producido por plantas en descomposición (biomasa), calor corporal, etc. Ninguna combustión se lleva a cabo dentro de los cilindros del motor.

3. El motor Stirling, trabajando en ciclo inverso, es altamente eficiente y por ende, aplicable a sistemas prácticos y económicos de refrigeración y criogenia.

El motor Stirling tiene tres variantes básicas:

Motor tipo “Alfa”: Que posee dos cilindros (uno para el foco frío y el foco caliente) ligados entre sí por un cigüeñal que permite una alta relación de potencia por unidad de volumen. El mecanismo es sencillo como puede apreciarse.

Motor tipo “Beta”: Que posee un solo cilindro para ambos focos de temperatura. Este es el motor original que patentara Roberto Stirling. Es un mecanismo complejo y voluminoso.

Motor tipo “Gamma”: Es similar al anterior, pero su mecanismo es más sencillo y su potencia de salida es inferior.

CONSTRUYAMOS NUESTRO MOTOR STIRLING CASERO:

No es difícil construir un motor Stirling para demostraciones en clase o experimentos de laboratorio. De todos los modelos que he encontrado, el más interesante para mí, tanto por la simplicidad, la funcionalidad de diseño y economía de materiales, es el descrito en el folleto de William Gurstelle: “Two can Stirling engine” (motor Stirling de 2 cilindros, en inglés). Véase el esquema del motor en cuestión:

Los interesados pueden descargar (gratuitamente y sin ningún riesgo) el folleto en este enlace:

http://www.4shared.com/document/zImHLZG3/Making_a_Stirling_Engine.htm

O una versión en español (aunque no tan ilustrativa):

http://www.4shared.com/document/SMz0Ny9i/CONSTRUCCION_Motor_Stirling_ca.htm

No dudo de que la gente con imaginación y creatividad podrá hacer mucho más para perfeccionar este modelo en todo sentido, adaptando más material reciclado e incluso haciéndolo impulsar algún mecanismo sencillo y liviano. Cualquier comentario o inquietud (para constrir modelos experimentales o referencias teóricas) son bienvenidas en nuestra página de facebook. Y bien, ha sido éste el artículo especial por aniversario del blog (recuerden que cumplimos dos años este mes). Espero haya sido del agrado de todos ustedes, queridos lectores y seguidores (nuevos y antiguos). Hasta el mes que viene. Un abrazo.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

• INTEGRATION OF ALTERNATIVE SOURCES OF ENERGY - Felix A. Farret / M. Godoy S. - IEEE Press / John Wiley & Sons – 2006.

• EL MOTOR STIRLING, DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y ANÁLISIS EXPERIMENTAL - Carlos Llave / Pablo Clausó / Eduardo Montellanes / Carlos Martinez Abarca - I.E.S. Leonardo Da Vinci – 2010.

• Figuras y animaciones:

http://auto.howstuffworks.com/stirling-engine.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/kiriki/begin/general.html http://electron9.phys.utk.edu/phys136d/modules/m3/m3ex1.htm

SISTEMAS HIDRÁULICOS (PRIMERA PARTE)

Este será el primero de una serie de artículos relativos a los sistemas hidráulicos, el cual será desarrollado de manera gradual e interrumpida, ya que, a diferencia de otros temas que se han tratado anteriormente, se trata de algo “ bastante común “, por así decirlo, en el campo de la tecnología mecánica en nuestro medio, tanto en la práctica profesional como en la formación académica especializada. Centraré la exposición en las aplicaciones diversas, diagnósticos y solución a problemas de diseño o mantenimiento de equipos y, en lo posible, obviaré hacer referencias teóricas demasiado extensas, considerando la necesidad que tienen los ingenieros y técnicos, de tener respuestas rápidas a sus inquietudes, que es el principal objetivo de este blog.
Creo que todos los seguidores de este blog (y naturalmente buena parte de los anónimos lectores) conocen ya el mecanismo básico de todo sistema hidráulico: La famosa “prensa hidráulica”, ideada por Blas Pascal pero patentada en el siglo XVIII por Joseph Bramah. Que permite multiplicar la fuerza.

Pero pocos se han percatado de los problemas reales que involucran el desempeño óptimo de ese mecanismo “ideal”. Veamos cómo es que ha evolucionado el dispositivo desde su concepción teórica hasta la actualidad. Podemos, por ejemplo aumentar la presión en el ramal donde se aplica la fuerza (la palanca) si agregamos el depósito que se ve a la izquierda y de este modo tener mayor fuerza sobre el peso que busca elevarse en el émbolo de salida.

Ahora, para impedir que el líquido “regrese por donde vino” y el peso caiga cuando demos nuevo impulso a la palanca, podemos agregar válvulas “anti retorno” a nuestro sistema hidráulico.

Pero no olvidemos que esta jugada nos traerá una brusca caída de presión en cuanto se cierren las válvulas “anti retorno” no impidiendo que el peso descienda un cierto margen , ello nos obliga a agregar válvulas “reguladoras de presión”, con lo cual hemos resuelto el problema.


¿Y si en vez de una sola palanca, fuesen dos?, tendríamos mayor fuerza en el émbolo de salida y se podrían elevar mayores pesos. ¿Pero todo eso no puede hacerse en un solo mecanismo? Desde luego que sí, dos prensas hidráulicas funcionando en serie, como se ve abajo.

Ahora bien, sea cual fuese la fuerza aplicada en la palanca, esta tendría que aplicarse a intervalos regulares o irregulares debido a la naturaleza del mecanismo, y ello nos trae el problema de la “discontinuidad” en la presión ejercida sobre el émbolo de salida. La presión constante requerida, es entonces suministrada por una bomba, que vuelve obsoleta a la palanca.

Este último es el alma de todo sistema hidráulico en nuestros días. Muchos, muchísimos tipos de máquinas estáticas (prensas, elevadores, simuladores de vuelo, etc.) y desplazables (cargadores frontales, camiones mineros, robots, etc.).

Espero, como dije inicialmente, ir respondiendo inquietudes y proponiendo soluciones a problemas técnicos en este campo. He querido dar una pequeña motivación por el momento que espero sea del agrado de seguidores (nuevos y antiguos). Todos los lectores interesados en el tema pueden hacerme llegar sus sugerencias y comentarios aquí mismo o en nuestra página de discusión de facebook. Gracias por el momento, y hasta el mes que viene.

ACCIONAMIENTO Y CONTROL DE MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS

En este artículo se pretende dar a conocer un tema de particular interés para ingenieros y técnicos de mantenimiento y/o electricidad industrial : el contenido de la Norma Internacional IEC 947. Esta norma presenta una terminología clara y cabal sobre todos y cada uno de los equipos y elementos que conforman los SISTEMAS DE ACCIONAMIENTO PARA MOTORES. Además se definen los conceptos de :
• Seleccionar en forma adecuada el equipo eléctrico.
• Protección de los equipos que gobiernan las cargas.
• Realizar la coordinación y el ajuste de la protección.
Los aparatos de protección tienen la función de interrumpir el flujo de energía eléctrica ( poniendo fuera de servicio al equipo y desconectándolo de la línea de alimentación ), cuando se presentan irregularidades en su funcionamiento, particularmente por sobrecargas y/o variaciones de tensión, corriente y frecuencia nominales del sistema.

La IEC 947( INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMISSION )tiene el objetivo de armonizar en todas las formas posibles el conjunto de reglas y de disposiciones aplicables al sector de baja tensión, uniformizando de tal manera las prescripciones y las pruebas aptas a garantizar toda la gama de materiales correspondientes.
La IEC 947 es dividida en varios artículos como sigue:

•947 -1 Reglas Generales
•947 -2 Interruptores automáticos.
•947 -3 Interruptores, seccionadores Interruptor -. seccionador y fusibles.
•947 -4 Contactores y arrancadores.
•947-5 Equipos y elementos para circuitos de mando.( Sensores de proximidad, temperatura, etc )
•947-6 Equipos de conexión a funciones múltiples.(Arrancador integral o transferencia automática )
•947 -7 Materiales accesorios( Bloques de unión para conductores de cobre )

SECCIONAMIENTO.-A fin de trabajar en forma segura en instalaciones, máquinas y su equipamiento eléctrico, debe ser posible aislar eléctrica y físicamente todos los circuitos de potencia y de control de la línea de distribución, el seccionamiento se realiza sin carga. Esta función que según la IEC 947 -2 tiene que ser incluida en :. Interruptores magnéticos para motores.. Interruptores termomagnéticos para motores.

INTERRUPCION.-Permite la conexión y desconexión de un circuito con carga, así como la parada de emergencia. Función incluida en:. Interruptores magnéticos para motores.. Interruptores termomagnéticos para motores.

PROTECCION CONTRA SOBRECARGAS.-La protección contra sobrecargas permite detectar incrementos de corriente entre 1 a 1.5 veces la corriente nominal del motor desconectar el arrancador antes que el sobrecalentamiento del motor y conductores cause daño al material aislante, que podría derivar en una condición de corto circuito.
Es también posible añadir otras protecciones, como la protección contra fallas de aislamiento, pérdida de fase, desbalance de tensiones y corrientes, etc. Los dispositivos específicos son: Relé térmico contra sobrecarga.. Interruptores termomagnéticos para motores.

Interruptores termomagnéticos.- Han sido diseñados especialmente para despejar en forma rápida las fallas de sobrecorriente y cortocircuito. El tiempo del despeje dependerá de la regulación a la cual ha sido sometido (ver curvas del interruptor termomagnético). La selección está definida por la norma IEC 947, NEMA AB-1-UL-489. Para hacer su selección tener en cuenta:
- Corriente y tiempo de arranque del motor.
- Tensión nominal.
- Altitud de diseño.
- Corriente de cortocircuito.
- Temperatura de trabajo.
- Demás instrucciones del fabricante.

Contactores.- Aparatos de maniobra (automático), con poder de corte y por lo tanto puede abrir o cerrar circuitos con carga o en vacío. También se le define como un interruptor accionado o gobernado a distancia.
Las ventajas de usar contactores son :
- Maniobra en altas corrientes.
- Ahorro de tiempo en la maniobra.
- Posibilidad de controlar un motor desde varios puntos.
- Seguridad del personal.
- Automatización en el proceso.
- Arranque y parado de motores según su diseño.
- Maniobras de cualquier carga.
Su trabajo esta sujeto a la norma IEC 947.


CONMUTACION.- Permite el mando a distancia y el control automático de apertura y cierre del circuito de potencia. Estos dispositivos electromecánicos son los contactores.
Temporizadores.- Son aparatos que cierran o abren determinados contactos ( contactos temporizados ), y al cabo de un tiempo debidamente establecido, abren o cierran el circuito de mando. Según la técnica de construcción y funcionamiento los temporizadores pueden ser :
- Con mecanismo de relojería.
- Electrónicos y
- Neumáticos.

Fusibles .- Estos elementos son diseñados para proteger al motor contra las fallas de cortocircuito, son instalados en serie con las fases del circuito. Está construido de un elemento conductor de pequeña sección transversal ( alta resistividad para proporcionar el retardo ), que soporta el paso de una corriente predetermina-da, tal como la corriente de arranque. Para su selección solicitar información del fabricante. Son pésimos para el control de sobre corrientes.
Pulsadores .- Cierran o abren ciertos circuitos mientras actúe sobre ellos una fuerza exterior, recuperando su posición de reposo (inicial) al cesar dicha fuerza, por acción de un muelle o resorte. Son de dos tipos :
- Para encendido ( contactos NA ),
- Para apagado ( contactos NC ).

Señalización .- Son todos los dispositivos cuya función es llamar la atención sobre el correcto o incorrecto funcionamiento de las máquinas aumentando así la seguridad del personal y facilitando el control y mantenimiento de los equipos. Entre los más conocidos tenemos :
Acústicos.- Son señales perceptibles por el oído, tales como : Timbre, zumbadores, sirenas, etc.
Opticas.- Son señales perceptibles por la vista, se dan de dos formas: .
Visuales.- Se emplean ciertos símbolos indicativos de la operación que indica la realización de alguna acción correspondiente al diagrama de flujo de producción. . Luminosos.- Únicamente se emplean lámparas o leds de colores diferentes

SISTEMA COORDINACION DE TIPO 1
Ningún peligro para las personas y para las instalaciones. Ningún componente aparte del contactor y del relé de sobrecarga puede dañarse. El aislamiento debe conservarse después de la falla. Antes de poner en servicio nuevamente, puede ser necesaria la reparación del contactor y/o substitución o calibración del relé de sobrecarga.

COORDINACION TIPO 2
Ningún peligro para las personas y para las instalaciones.
No es permitido ningún daño ó desajuste del contactor; es admitido el riesgo que los contactos del contactor se peguen, siempre y cuando éstos puedan separarse fácilmente.
El aislamiento debe conservarse después de la falla.

COORDINACION TOTAL
Ningún peligro para las personas y para las instalaciones.
No se permite ningún daño o soldadura en los componentes del sistema de arranque.
Se puede poner en servicio nuevamente sin precauciones particulares.
Mantenimiento reducido y rápida puesta en servicio después de la falla.

PROTECCION INTEGRAL
Cuando se tiene una máquina con una muy alta criticidad es conveniente protegerla contra todo posible daño, para ello se tendrán que gobernar los parámetros siguientes: Corriente, Tensión, Frecuencia,Temperatura, etc. Los sensores de los circuitos de los parámetros de la máquina deben ser instalados en las tres fases, además deben tener un circuito de gobierno común ( consola ), que me permita controlar la totalidad de las características de la máquina. El diseño deberá considerar que cuando actúen los elementos de protección, no deberán ser reseteados automáticamente, es recomendable detectar cual ha sido la causa o motivo por el cual ha actuado. Los relés de sobrecarga deben ser seleccionados de modo que permitan el arranque y parada, así mismo nos indique el tipo de falla en su panel frontal.


TIPOS DE RELES MAS UTILIZADOS. Según la importancia de los equipos a ser protegidos los relés más utilizados en la industria son :
- Sobre corriente.
- Sobre y sub tensión.
- Sobre y sub frecuencia.
- Potencia inversa.
- Térmico ( sondas térmicas, termocuplas, etc. ).
- Pérdida de fase. - Secuencia cero.
- Diferencial.
- De distancia.
- Relé integral en baja tensión.


TIPO DESCRIPCION DE LAS FUNCIONES
21 Relé de distancia -Para zonas de fallas en fase.
27 Protección de subtensión.
40 Protección de pérdidas en el campo.
46 Protección de secuencia negativa. (corrientes desbalanceadas).
49 Protección térmica del estator.
50G Protección por sobrecorriente.
59 Protección de sobretensión.
60 Relé de tensiones balanceadas ( Detección de fusibles rotos del trafo de potencia)
61 Protección por sobrecorriente de fase dividida.
81 Relé de frecuencia ( Protección contra sobre y subfrecuencia-
86 Relé auxiliar de cierre externo del reseteado manual.
51MN Relé de tiempo de sobrecorriente a tierra.
51TN Protección de fallas a tierra-Respaldo.
59GN Relé de sobretensión -Protección de fallas a tierra.
62B Tiempo de falla del interruptor.
87 Relé diferencial en las fases del estator.
87N Protección diferencial de fallas estator-tierra.

DEFINICIONES BASICAS EN PROTECCION
PERTURBACIONES .- Son alteraciones de los principales parámetros de los sistemas eléctricos de corriente continua ó alterna. Los parámetros eléctricos principales son : Tensión, corriente y frecuencia siendo sus unidades Voltios, Amperios y frecuencia respectivamente.
SOBRECORRIENTES.- Alteración de la corriente nominal por ensima de los valores establecidos estos pueden ser :
• Alta intensidad.- Están conformados por las corrientes de cortocircuitos asimétricos y simétricos. Inominal ( 2 In -10 In) . El tiempo de duración 50 - 250 mseg.
• Baja intensidad.- Cuando se sobrepasa la corriente nominal entre Inominal ( 1ln - 1.5 In) . Conformados por las corrientes de sobre carga. El tiempo de duración es de hasta muchos segundos y/o uno o varios minutos según sea el caso.


PROTECCION TENSIONES ANORMALES.- Se denominan así cuando los niveles de la tensión están fuera de los valores normalizados. En los sistemas industriales se dan dos casos:
Sobre tensiones.- Deterioran los aislamientos de los equipos y sistema eléctrico y pueden producir fuertes descargas a tierra. Pueden ser de origen:
Externo.- Descargas atmosféricas (Corta duración).
Interno.- Maniobras y frecuencia industrial.
Sub tensiones.- Aparecen debido a perturbaciones ocurridas dentro del sistema eléctrico. Su origen se debe a: Sobrecarga en la línea del sistema eléctrico. La central de generación entrega una baja tensión. En el arranque de los motores de inducción.

FRECUENCIAS ANORMALES.- Cuando la frecuencia de operación se halla fuera del margen establecido se dan :
• Sub frecuencia ( inferior a la frecuencia nominal ), se debe a un desbalance KWgeneración menor que KWcarga.
• Sobre frecuencia ( superios a la frecuencia nominal ), se debe a un desbalance KWgeneración mayor que KWcarga.
INVERSION DE POTENCIA.- El flujo de potencia activa debe estar predeterminado en un solo sentido. El cambio de sentido del flujo implica una situación anormal por lo que se debe utilizar un relé de potencia inversa.
OTRAS.- Para aplicaciones particulares es posible detectar condiciones anormales de : Impedancias, temperaturas, presiones, vibraciones, comparaciones de corrientes y tensiones de entrada y salida, corrientes de secuencia a cero entre otros.

MISION DE LOS EQUIPOS DE PROTECCION

- Proteger físicamente al personal técnico.
- Prevenir ó atenuar los daños al conjunto de equipos.
- Minimizar el tiempo de indisponibilidad de los equipos y las interrupciones a los sistema servidos.
- Minimizar el efecto de las perturbaciones sobre el resto de la red.
- Aísla rápidamente los elementos fallados evitando la pérdida de la estabilidad del sistema eléctrico.
- Utilización de equipos adecuados para que el sistema trabaje bien y por ende tengamos una energía de alta calidad.



CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LOS EQUIPOS DE PROTECCION

FIABILIDAD.- Es la seguridad de funcionamiento cuando se necesita y su acccionamiento innecesario. Se le conoce también con el nombre de confiabilidad. Atentan contra la fiabilidad:
- Diseños incorrectos.
- Malos ajustes.
- Instalación inadecuada.
- Deterioro de los equipos debido a: Fallas ó envejecimiento del relé. . Mantenimiento inadecuado ó no existente. Una medida para incrementar la confiabilidad del equipo es duplicar la protección ( incluyendo transductores de medida y servicios auxiliares ).


RAPIDEZ.- Los cortocircuitos producen grandes corrientes las que ocasionan la formación de arcos eléctricos muy grandes y por ende destructivos que pueden dañar los equipos y ocasionar incendios.
La permanencia prolongada de los cortocircuitos puede afectar la estabilidad del sistema eléctrico. En consecuencia el tiempo de actuación del equipo debe ser el más corto posible. El tiempo de actuación de la protección está compuesto por: - Tiempo de actuación del equipo.
- Tiempo de los interruptores.
- Tiempo de la temporización.

Se presentan los siguientes relés y/o equipos:
- Equipos estáticos ( tiempo de accionamiento menor de 17 mseg.).
- Equipos electromecánicos ( tiempo mayor de 2 a 3 ciclos ).

SELECTIVIDAD.- El diseño y coordinación de la protección debe ser tal que aún en condiciones más desfavorables y extremas, solamente se aísle la parte del sistema ó equipo afectado quedando operativo el resto del sistema. Es necesario que en la ocurrencia de fallas actúen los interruptores más cercanos al equipo protegido para lo cual se utilizan varios tipos de protección a saber: - Unitarios y/o restringidos. - Escalonados ( relés de impedancia ó sobrecorriente ).

SENSIBILIDAD.- Se refiere a la más pequeña variación de la magnitud controlada que el sistema puede detectar. Esta magnitud debe ser plenamente conocida por el Ingeniero especialista en protección con el objeto de controlar la correcta operación de los relés. En caso de tratarse de relés, se refiere a los voltios amperios que operar a dicho equipo.


ESTABILIDAD.- Es la habilidad de los equipos de no actuar ante condiciones normales de carga y ante fallas externas a su zona de influencia. Así mismo deben ser estables ante oscilaciones de tensión, corriente y frecuencia, etc.

SIMPLICIDAD.- Debe ser de fácil manejo teniendo pocos elementos que puedan fallar, aumentando así la fiabilidad. Tener en cuenta que no necesariamente el sistema mas simple es el mas económico.

OTROS.- Se refieren a otras características tales como: - Bajo consumo. - Facilidad de mantenimiento. - Economía global del sistema. - Criticidad del sistema.