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Preparar y acondicionar elementos y máquinas

de la planta químicaAdrián del Salvador Yaque Sánchez

Preparar y acondicionar elementos y máquinas de la planta química Autor: Adrián del Salvador Yaque Sánchez

1ª Edición

© IC Editorial, 2012

Editado por: IC EditorialAvda. El Romeral, 2. Polígono Industrial de Antequera29200 ANTEQUERA, MálagaTeléfono: 952 70 60 04Fax: 952 84 55 03Correo electrónico: [email protected]: www.iceditorial.com

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Impresión: PODiPrintImpreso en Andalucía – España

Nota de la editorial: IC Editorial pertenece a Innovación y Cualificación S. L.

ISBN: 978-84-15670-92-6Depósito Legal: MA-2583-2012

| I

Presentación del manual

El Certificado de Profesionalidad es el instrumento de acreditación, en el ám-bito de la Administración laboral, de las cualificaciones profesionales del Catá-logo Nacional de Cualificaciones Profesionales adquiridas a través de procesos formativos o del proceso de reconocimiento de la experiencia laboral y de vías no formales de formación.

El elemento mínimo acreditable es la Unidad de Competencia. La suma de las acreditaciones de las unidades de competencia conforma la acreditación de la competencia general.

Una Unidad de Competencia se define como una agrupación de tareas produc-tivas específica que realiza el profesional. Las diferentes unidades de compe-tencia de un certificado de profesionalidad conforman la Competencia Gene-ral, definiendo el conjunto de conocimientos y capacidades que permiten el ejercicio de una actividad profesional determinada.

Cada Unidad de Competencia lleva asociado un Módulo Formativo, donde se describe la formación necesaria para adquirir esa Unidad de Competencia, pudiendo dividirse en Unidades Formativas.

CERTIFICADO DE PROFESIONALIDAD

MÓDULOS FORMATIVOS

UNIDADES FORMATIVAS

COMPETENCIAGENERAL

UNIDADES DE COMPETENCIA

Expresa su

Tienen asociados

Está dividido en

Pueden dividirse en

II |

El presente manual desarrolla la Unidad Formativa UF0229: Preparar y acon-dicionar elementos y máquinas de la planta química,

perteneciente al Módulo Formativo MF0046_2: Operaciones de máquinas, equipos e instalaciones de planta química,

asociado a la unidad de competencia UC0046_2: Preparar y acondicionar má-quinas, equipos e instalaciones de planta química,

del Certificado de Profesionalidad Operaciones básicas en planta química.

UF0229Preparar y acondicionar elementos y

máquinas de la planta química

UNIDAD FORMATIVA

DESARROLLADA EN ESTE MANUAL

UF0230Preparar y acondicionar los equipos principales e

instalaciones auxiliares de la planta química

MF0046_2

OPERACIONES DE MáqUINAS, EqUIPOS E INSTALACIONES

DE PLANTA qUíMICA

UNIDAD DE COMPETENCIA UC0046_2

Preparar y acondicionar máquinas, equipos e

instalaciones de planta química

Tiene asociado el

Compuesto de las siguientes UNIDADES FORMATIVAS

| III

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Índice

Capítulo 1Fundamentos básicos en la operación de máquinas de la planta química

1. Introducción 72. Calor y temperatura 73. Fluidos. Mecánica de fluidos 294. Electricidad 555. Resumen 73 Ejercicios de repaso y autoevaluación 75

Capítulo 2Representación gráfica de los procesos químicos

1. Introducción 812. Sistemas de representación de instalaciones 813. Interpretación de esquemas y diagramas de flujo 944. Tipos de planos y diagramas 1145. Resumen 146 Ejercicios de repaso y autoevaluación 149

Capítulo 3Operaciones en los elementos de la planta química

1. Introducción 1552. Tuberías y accesorios 1553. Válvulas. Introducción a las válvulas 1884. Resumen 259 Ejercicios de repaso y autoevaluación 261

Capítulo 4Operación de máquinas de la planta química

1. Introducción 2672. Bombas centrífugas 2673. Bombas de desplazamiento positivo 302

4 |

4. Compresores centrífugos y alternadores: principios y especificaciones. La relación de compresión 319

5. Turbinas de vapor y gas. Su utilización en la planta química 3366. Motores eléctricos 3557. Resumen 386 Ejercicios de repaso y autoevaluación 387

Bibliografía 391

Capítulo 1

Fundamentos básicos en la operación de máquinas

de la planta química

Contenido

1. Introducción2. Calor y temperatura3. Fluidos. Mecánica de fluidos4. Electricidad5. Resumen

CAP. 1 | Fundamentos básicos en la operación de máquinas de la planta química

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1. Introducción

Para desempañar operaciones con máquinas e instalaciones, ya sean de preparación, acondicionamiento, mantenimiento o reparación en una planta química, se deben adquirir al menos unos conocimientos mínimos sobre calor, temperatura, fluidos y electricidad que son la base del funcionamiento de es-tas máquinas e instalaciones.

Para ello es importante entender todo lo relativo a los conceptos de calor, temperatura y transferencia de calor, además de todas las características, pro-piedades y procesos relacionados con ellos.

Para los fluidos es conveniente conocer su naturaleza, sus propiedades y aspectos concretos como estática de fluidos, ecuación de estados de los gases o problemas relativos al manejo de estos.

Y por último, para la electricidad es necesario adquirir conceptos relaciona-dos con la corriente eléctrica, tipos de corriente, propiedades, características y representación gráfica de sus instalaciones y máquinas.

2. Calor y temperatura

En todas las plantas químicas se producen multitud de procesos donde el calor y la temperatura están relacionados o son variables fundamentales de estos. Por ello es necesario conocer qué es el calor y la temperatura y cómo se lleva a cabo el proceso de transferencia de calor.

2.1. Naturaleza del calor

En la actualidad se sabe que los átomos y las moléculas (que son grupos de átomos) que forman la materia están en constante movimiento vibrando, rotando sobre sí mismos o chocando entre ellos, aunque el cuerpo que los constituye esté quieto.

8 |

Preparar y acondicionar elementos y máquinas de la planta química

El calor es la energía asociada a este movimiento y por tanto la suma de las energías de las partículas que componen un cuerpo.

El calor está presente en todo tipo de materia independientemente de su estado y condiciones en las que se encuentre y, por tanto, todos los cuerpos tienen calor aunque estén a muy baja temperatura.

Además, también se sabe que los cuerpos pueden calentarse haciendo que se incremente la velocidad de sus átomos o moléculas y, por tanto, su calor, o enfriarse, es decir, disminuir la velocidad y, por tanto, su calor.

Si se introduce energía en un sistema, este se calienta y si elimina energía, se enfría. Por ejemplo, si una persona está fría se puede poner a correr para entrar en calor, o si bota una pelota, la energía de su movimiento se convierte en energía térmica o calor, que hace que cada vez rebote menos.

2.2. Diferencia entre calor y temperatura

La temperatura a la que se encuentra un cuerpo está, por tanto, relacionada

con el calor, ya que mientras el calor es la energía total del movimiento de

átomos y moléculas en una sustancia, la temperatura es una medida de la

energía molecular media.

Definición

CalorEs la energía que posee un cuerpo debido al movimiento constante de sus átomos y mo-léculas.


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Además, el calor hace que la temperatura aumente o disminuya, ya que si se añade calor a una sustancia, la temperatura aumenta, y si se quita calor, la temperatura disminuye. Por todo ello, las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía.

La temperatura se puede medir con los termómetros, y con este valor se podrá conocer la cantidad de calor que contiene un cuerpo.

Además, mientras el calor depende de la velocidad de las partículas, su nú-mero, su tamaño y su tipo, la temperatura no depende del tamaño, ni del núme-ro, ni del tipo de partículas. Por ejemplo, la temperatura de una botella de agua puede ser la misma que la temperatura de un depósito de agua, pero el depósito tiene más calor porque tiene más agua y, por lo tanto, más energía térmica total.

Por todo ello, se puede llegar a la conclusión de que calor y temperatura no son lo mismo, pero sí están íntimamente relacionados, y matemáticamente mediante la siguiente ecuación:

Definición

TemperaturaEs el valor medio de la energía de los átomos y moléculas de una sustancia, debido a su constante movimiento.

Termómetro

Q = c · M · t

10 |


Donde, en unidades del S.I.:

■ Q = calor de una sustancia en julios (J). ■ c = calor específico de la sustancia en julio por kilogramo y por grados Celsius (J·Kg-1·ºC-1).

■ M = masa de la sustancia en kilogramos (Kg). ■ t = temperatura de la sustancia en grados Celsius (ºC).

2.3. Unidades de medida de calor y temperatura. Conversión de unidades

La unidad de energía y, por tanto, de calor en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.U.) es el joule, que en castellano es el julio (J) y equivale a un newton por metro (N×m). En el Sistema Anglosajón de Unidades (S.A.U.) es la unidad térmica británica BTU (British Termal Unit), que es la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit. La relación entre ambos es:

Recuerde

No es lo mismo calor que temperatura.

El calor es la energía total del movimiento de átomos y moléculas en una sustancia y la temperatura es una medida de la energía molecular media.

El calor hace que la temperatura aumente o disminuya, ya que si se añade calor a una sustancia, la temperatura aumenta y viceversa.

1 BTU = 1.055,056 julios


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Otra unidad de energía muy utilizada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su tempe-ratura un grado Celsius, y cuya relación con el julio y con el BTU es:

Las escalas de medición de la temperatura se dividen en dos tipos, las absolutas y las relativas.

■ Las escalas absolutas no tienen temperatura máxima y su temperatura mínima es el cero absoluto, es decir, aquella temperatura de un cuerpo cuyo potencial energético es nulo, su cuerpo no tiene absolutamente nada de calor.

■ Las escalas relativas toman como puntos de referencia dos temperaturas para establecer las diferentes escalas termométricas.

Recuerde

Las unidades de calor son el julio, la caloría y el BTU.

Recuerde

Las unidades de temperatura más usuales son el grado Kelvin y el grado Rankine como temperaturas absolutas, y el grado Celsius y el grado Fahrenheit como temperatura relativa.

1 cal = 4,187 J

252 cal = 1 BTU

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Las escalas relativas tienen temperaturas negativas y las absolutas no, y la temperatura absoluta es igual a la temperatura relativa más la temperatura absoluta del cero elegido en la escala de la temperatura relativa. Por ejemplo, ºK = °C + 273,15, ya que 0 ºC son 273,15 ºK.

En el S.I. se utiliza como escala absoluta el grado Kelvin y como escala relativa el grado Celsius:

■ En la escala de grado Celsius (°C), la escala es de cien unidades entre la temperatura de fusión y ebullición del agua, es decir, entre 0 °C y 100 °C respectivamente.

■ En la escala Kelvin (°K) el cero absoluto corresponde a -273,15 °C.

En el S.A. se tiene como escala absoluta el grado Rankine y como escala relativa el grado Fahrenheit:

■ En la escala Fahrenheit (°F), la escala es de cien unidades entre la temperatura de congelación de una disolución de cloruro amónico y la temperatura normal corporal humana. Estos puntos corresponden a 0 °F y 100 °F respectivamente.

■ En la escala Rankine (ºR) el cero absoluto corresponde a -459,67 ºF.

La relación entre las distintas unidades respecto a los grados Celsius es:

2.4. Transferencia de calor. Principios. Aplicaciones en la planta química

En multitud de operaciones en las plantas químicas se producen emisiones o absorciones de energía en forma de calor. Por ello, el estudio de la transferen-cia de calor y de sus aplicaciones tiene tanta importancia para esta actividad.

ºC = ºK – 273,15 ºK = °C + 273,15

ºC = (°F - 32) · 5/9 ºF = ºC · 9/5 + 32

ºC = (ºR - 491,67) · 5/9 ºR = (ºC + 273,15) · 9/5


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El calor como forma de transmisión de la energía

Se sabe que si se ponen en contacto dos objetos que tienen diferente tem-peratura se produce un flujo o transferencia de energía desde el más caliente al más frío hasta que ambos objetos alcancen la misma temperatura.

Esta energía transferida, debido a una diferencia de temperaturas de un cuerpo a otro se hace en forma de calor y se denomina transmisión o transfe-rencia de calor.

Esto se debe a que la diferencia de temperaturas actúa como fuerza impul-sora de la energía de un objeto de mayor temperatura a uno de menor.

Siempre que exista una diferencia de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos se dará una transferencia de calor y el cuerpo más caliente reducirá su temperatura y el más frío la aumentará hasta que ambos tengan la misma temperatura y se encuentren en lo que se denomina equilibrio térmico.

Además, a mayor gradiente de temperaturas o diferencia de temperaturas, mayor será la velocidad de transferencia de calor.

Nota

Sin embargo, si se ponen en contacto dos objetos con la misma temperatura no habrá transferencia de energía porque la energía media de las partículas en cada objeto es la misma, y, por tanto, no hay fuerza impulsora.

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Estados de la materia (cambios de estado)

La materia se presenta en la naturaleza en forma de tres fases o estados diferentes según sea la energía intermolecular o el calor que posea: sólido, líquido y gaseoso. Hay un cuarto estado que es el plasma, pero tiene poca incidencia para esta actividad.

En el estado sólido las fuerzas de atracción intermolecular o de cohesión son muy fuertes, y mantiene su volumen y su forma definida. Sus partículas se ordenan en redes cristalinas y están dotadas de movimiento de vibración. Ejemplo: el hielo.

En el estado líquido las fuerzas de atracción intermolecular no son tan grandes y mantienen su volumen, pero adoptan la forma del recipiente que lo contiene mostrando una superficie libre. Sus partículas tienen libertad de movimiento pero están muy juntas. Ejemplo: el agua.

Moléculas en estado sólido

Moléculas en estado líquido


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En el estado gaseoso las fuerzas de cohesión son tan débiles que el gas no tiene ni forma ni volumen propio, adoptan la forma del recipiente que los con-tiene y ocupan todo su volumen. Sus partículas tienen libertad de movimiento y están muy separadas debido a la fuerza de cohesión tan débil. Ejemplo: el vapor de agua.

Si a un cuerpo en estado sólido se le aporta calor, aumentará su energía in-terna, logrando que sus moléculas puedan vencer determinadas fuerzas de co-hesión, obteniéndose el estado líquido. Si se continúa aportando calor se llega a un punto en que la energía molecular es superior a las fuerzas de cohesión, rompiéndose totalmente estas y alcanzándose el estado gaseoso de la materia.

Por tanto, aportando calor a un cuerpo, este puede pasar de sólido a líqui-do y a gas, y de forma inversa, al enfriarlo se recorrerá el camino en sentido contrario. Estos son los cambios de estado más usuales, aunque se puede

Sabía que...

Se denominan vapores a aquellos gases que en condiciones normales de presión y tem-peratura, es decir, 1 atm y temperatura ambiente respectivamente, tienen como estado normal el estado líquido. Por ejemplo, el vapor de agua.

Moléculas en estado gaseoso

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cambiar de estado de sólido a gas y de gas a sólido, aportando calor y enfriando respectivamente.

Las diferentes transformaciones o cambios de fase en la materia son los que aparecen en la siguiente tabla.

Importante

Se debe tener en cuenta que en estos cambios de fase no se producen transformaciones de estas sustancias en otras, son las mismas sustancias pero en otro estado.

FusiónProceso físico por el que una sustancia en estado sólido pasa a estado líquido mediante aporte de calor. La temperatura a la que el sólido se funde se denomina punto de fusión y es un valor particular para cada sustancia.

Solidificación Proceso físico por el que una sustancia en estado líquido pasa a estado sólido mediante un enfriamiento.

Vaporización

Proceso físico por el que una sustancia en estado líquido pasa a estado gaseoso. La temperatura a la que el líquido se vaporiza se denomina punto de ebullición y es un valor particular para cada sustancia y depende de la presión a la que se encuentre esta.

Condensación Proceso físico por el que una sustancia en estado gaseoso pasa a estado líquido.

SublimaciónProceso físico por el que una sustancia en estado sólido pasa a estado gaseoso sin pasar por el estado líquido.

CristalizaciónProceso físico por el que una sustancia en estado gaseoso pasa a estado sólido, sin pasar por el estado líquido.


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Propiedades térmicas de los productos (calor de fusión, calor de vaporización, calor específico)

Las propiedades térmicas que tiene cualquier sustancia son: calor de fu-sión, calor de vaporización y calor específico.

Calor de fusión y calor de vaporización

Como ya se sabe, una sustancia experimenta un cambio de temperatu-ra cuando se calienta o se enfría, es decir, cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. A este calor se le denomina calor sensible.

Sin embargo, en el momento de cambio de fase, una sustancia absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor que es necesario aportar o quitar para que una sustancia cambie de estado se denomina calor de cambio de estado o calor latente de la sustancia, y depende del tipo de cambio de fase.

La suma del calor sensible y calor latente se llama calor total o entalpía.

Los valores de calor de cambio de estados se establecen en las uni-dades de medida de kilojulios por kilogramo (KJ×Kg-1) o kilocalorías por kilogramos (Kcal×Kg-1) en el S.I., o en BTU por libra en el S.A. (BTU×lb-1).

Nota

Son procesos exotérmicos aquellos que desprenden energía o calor como la condensación, la solidificación o la cristalización. Son procesos endotérmicos aquellos que necesitan energía o calor para producirse como la fusión, la vaporización o la sublimación.

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El calor de cambio de estado, si se utiliza para cambiar el estado de sólido a líquido, se denomina calor de fusión, y si es para cambiarlo de líquido a gaseoso, calor de vaporización. Al cambiar de estado gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía que el calor de vaporización y fusión respectivamente. En esos casos se denomi-nan calor de condensación y de solidificación, pero no son tan conocidos como los anteriores.

Ejemplo

Cuando se aplica calor (calor sensible) a un bloque de hielo a -25 ºC, va aumentando su temperatura hasta llegar a 0 ºC que es su temperatura de cambio de fase. A partir de entonces, aunque se le siga aplicando calor (calor de cambio de fase), la temperatura no cambia hasta que se haya fundido todo el hielo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. Una vez fundido el hielo, el calor (calor sensible) aplicado volverá a subir la temperatura hasta llegar a 100 °C. En ese momento, si se aplica calor (calor de cambio de fase) se mantendrá la temperatura invariable hasta que se evapore toda el agua. A partir de ese momento, si se aplica calor (calor sensible) seguirá aumentando la temperatura del vapor de agua.

Gráfica de temperatura en función de la energía aportada sobre una sustancia

Temperatura

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Gas

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Energía

Calor latente

Calor latente


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Calor específico

Como se sabe, cuando una cuchara metálica se deja en un plato de sopa caliente su temperatura sube rápidamente, lo que no ocurriría si la cuchara fuese de madera. Por tanto, no todas las sustancias aumentan su temperatura de igual manera cuando se les aporta la misma cantidad de calor.

Esto ha llevado a definir dos magnitudes, la capacidad calorífica y el calor específico.

La capacidad calorífica indica la mayor o menor dificultad que tiene toda la masa de una sustancia para experimentar cambios de temperatura cuando se le suministra calor. Depende no solo de la sustancia a la que se aporta calor sino también de la cantidad de masa de la sustancia, es decir, es característico de un cuerpo concreto.

Recuerde

Calor de fusión es el calor de cambio de estado para pasar del estado sólido al líquido.

Calor de vaporización es el calor de cambio de estado para pasar del estado líquido al gaseoso.

Definición

Capacidad caloríficaEs la cantidad de energía que hay que aportar a una sustancia para aumentar su tempe-ratura en una unidad, es decir, en un grado.

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Su unidad de medida en el S.I. es el julio por grado Celsius (J · ºC-1), aunque también se utiliza calorías por grado Celsius (Cal · ºC-1). En el S.A. su unidad de medida es el BTU por gado Fahrenheit (BTU · ºF-1).

El calor específico es una propiedad que tienen las sustancias, inde-pendientemente de su tamaño, que indica la mayor o menor dificultad para experimentar cambios de temperatura cuando se le suministra calor. Depende solo de la sustancia a la que se aporta calor y, por ello, es carac-terística de una sustancia concreta.

Cuanto mayor sea el calor específico de una sustancia, más calor se necesita para aumentar la temperatura.

Con anterioridad se llegó a relacionar el calor (Q) de una sustancia con su temperatura (t), su masa (M) y su calor específico (c) por medio de la ecuación:

Ejemplo

La capacidad calorífica de un tanque de almacenamiento de agua es mayor que la de una botella de agua, ya que al primero hay que aportarle mucha más energía para aumentar su temperatura un grado.

Definición

Calor específicoEs la energía necesaria que hay que aportar a una unidad de masa de una sustancia para aumentar su temperatura en una unidad, es decir, en un grado.


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Por tanto, si se quiere calcular el calor absorbido o emitido por una sustancia, se deberá utilizar la ecuación anterior teniendo en cuenta la temperatura final (tf) e inicial (ti) de la sustancia, mediante:

Si el calor se absorbe, la temperatura final es mayor que la inicial, por lo que el valor del calor es positivo, y si se emite, será negativo.

Para medir el calor específico y las cantidades de calor que absorben y liberan los cuerpos se utiliza el calorímetro.

Mecanismos de transferencia de calor (conducción, convección, radiación)

La transmisión de calor siempre se produce desde el cuerpo más caliente al más frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. Este proceso se puede llevar a cabo mediante tres mecanismos diferentes, aunque con fre-cuencia aparecen simultáneamente:

Nota

Como ya se sabe, la unidad de medida del calor específico en el S.I. es el julio por kilogramo y por grado Celsius (Kcal · gr · K-1), pero como en la práctica esta unidad es relativamente pequeña se utiliza kilocalorías por gramo y por grado kelvin (Kcal · gr-1 · ºK-1). Su unidad de medida en el S.A. es el BTU por libra y por grados Fahrenheit (BTU · lb-1 · ºF-1).

Q = c · M · t

Q = c · M · (tf - ti )

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1. Conducción.2. Convección.3. Radiación.

Conducción

El calor se transmite por conducción cuando se produce en un sólido la transferencia de energía desde las partículas más energéticas como resultado de interacciones entre estas partículas y sin que se produzca transferencia de masa.

Estas interacciones en los sólidos se producen porque los átomos y moléculas de la zona que se calienta empiezan a vibrar más rápido y chocan con las partículas vecinas transmitiendo esa energía térmica. En los líquidos y gases es debido a las colisiones de las moléculas de mayor energía con las de menor energía mientras están en movimiento continuo.

Nota

Las sustancias tienen distinta conductividad térmica, es decir, capacidad para conducir calor, existiendo materiales conductores térmicos y aislantes térmicos.

Los conductores térmicos son aquellas sustancias que transmiten rápidamente la energía térmica de un punto a otro, como, por ejemplo, los metales.

Los aislantes térmicos son aquellas sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a otro, como, por ejemplo, el vidrio, la madera o el corcho.


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La velocidad de transferencia de calor o rapidez con que el calor se transmite a través de un medio en conducción depende del material del que esté hecho, de su espesor, de su configuración geométrica y de la diferencia de temperaturas a través de él.

Ejemplo

Cuando se calienta un extremo de una varilla metálica, el calor llega al otro extremo sin que haya movimiento alguno de la masa que constituye la varilla.

Ejemplo de transmisión de calor por conducción en un metal

Ejemplo

Si en una planta hay un depósito de agua caliente, si este está recubierto de fibra de vidrio que es un buen material aislante, tardará más tiempo en disiparse el calor acumulado que si no tiene ningún aislante. Cuanto más grueso sea el material aislante, menos rápida será la pérdida de calor. Además, cuanto más grande sea o mayor área superficial tenga por su configuración geométrica (para un mismo volumen un depósito con forma de cilindro tiene más superficie que uno esférico), más rápida será la pérdida de calor. Y por último, cuanto menor sea la temperatura en el lugar donde se encuentre el depósito, antes se producirá la pérdida de calor.

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Convección

El calor se transmite por convección cuando este se transfiere de un punto a otro de un fluido, líquido o gas por el movimiento macroscópico de la masa del propio fluido, es decir, se transfiere calor mediante el transpor-te de materia.

Si el movimiento del fluido es forzado mediante medios externos como un agitador, un ventilador o una bomba, la convección se denomina convec-ción forzada, y si el movimiento del fluido es causado por la diferencia de densidades creadas por la diferencia de temperatura existente en la masa del fluido se le denomina convección natural. Claramente, la convección forzada favorece mejor la transferencia de calor que la convección natural.

Ejemplo

Convección natural: si se calienta agua en un recipiente, el agua que está en el fondo se calentará antes, disminuyendo su densidad (la densidad disminuye con el aumento de la temperatura) y ascendiendo, y el agua de la superficie que se encuentra más fría y tiene mayor densidad, desciende, dando lugar a un proceso cíclico. Convección forzada: si se agrega al recipiente un agitador eléctrico que aumente el movimiento del agua favorecerá más la transferencia de calor, y se llevará a cabo antes.

Ejemplo de transmisión de calor por convección natural en un líquido


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Radiación

La radiación térmica es la energía emitida en forma de ondas electromag-néticas por la superficie de un cuerpo que ha sido excitado térmicamente.

Esta radiación térmica se emite en todas las direcciones, se propaga con la velocidad de la luz y si choca contra otro cuerpo, puede ser re-flejada, transmitida o absorbida por este. No exige medio de transporte propagándose incluso a través del vacío.

Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía de la radiación que emiten.

Ejemplo

El sol transmite su calor por radiación, ya que las ondas electromagnéticas se propagan en el aire e incluso en el vacío.

Ejemplo de transmisión de calor por radiación solar

Ejemplo de transmisión de calor por conducción, convección y radiación

Convección Conducción

Radiación Radiación

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Aplicaciones de la transferencia de calor en la planta química

En las plantas químicas el calor se transfiere por medio de una variedad de equipos diseñados con el propósito de analizar la transferencia de calor. Entre estos se encuentran los intercambiadores de calor, las calderas, los conden-sadores, los hornos, los calentadores de resistencia eléctrica o los secadores de calor radiante. En este apartado se va a estudiar el intercambiador de calor que es el equipo que presenta mayor interés en relación con la transferencia de calor por su uso habitual en cualquier planta química.

Intercambiadores de calor

La transferencia de calor entre dos fluido casi siempre se produce en los intercambiadores de calor. Son equipos que facilitan el intercambio de este entre dos fluidos que están a diferente temperatura y al mismo tiem-po evitan que se mezclen entre sí. La transferencia de calor se produce por convección en el fluido y por conducción a través de la pared que los se-para. Fundamentalmente existen tres tipos de intercambiadores de calor:

� Intercambiador de calor de doble tubo: es el más simple y se trata de dos tubos concéntricos por donde un fluido se desplaza por la tubería interior y el otro por el espacio anular entra ambas tuberías. Se pueden fabricar con un solo par de tubos o con varios pares de tubos en serie. Se utiliza para velocidades de flujo de fluido bajas.

Sección de intercambiador de calor de doble tubo en serie

Entrada Fluido de calentamiento

Salida Fluido de calentamiento

Salida Fluido de proceso

Entrada Fluido de proceso


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� Intercambiadores de tubo y coraza: se utilizan cuando existen flujos de fluido mayores, y es el tipo de intercambiador más importante en la industria química. Se trata de un conjunto de tubos paralelos distribuidos en el interior de una coraza. En el interior de estos tubos corre uno de los fluidos, y el otro circula por el interior de la coraza y por el exterior de los tubos.

� Intercambiador de flujo transversal: sirve para calentar o enfriar un gas como, por ejemplo, el aire. Uno de los fluidos, que es un líquido o un gas circula por el interior de los tubos y el gas exterior (a ca-lentar o a enfriar) fluye por convección forzada o natural a través del conjunto de tubos.

Sección de intercambiador de calor de tubos y coraza

Entrada Fluido de calentamiento

Salida Fluido de calentamiento

Salida Fluido de proceso

Entrada Fluido de proceso

Funcionamiento de intercambiador de calor de flujo transversal

Fluido de calentamiento o de enfriamiento

Flujo de gas

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Aplicación práctica

Calcule el calor en BTU necesario para elevar la temperatura de 5 l de agua de 25 ºC a 75 ºC, siendo el calor específico del agua 1 cal · g-1 · ºK-1 y la densidad del agua 1.000 g/l.

SOLUCIÓN

Teniendo en cuenta que la densidad del agua es 1.000 g/l, 5 l de agua son M = 5 · 1.000 = 5.000 g de agua.

Por otro lado, tf = 75 ºC son 273,15 + 75 = 348,15 ºK y ti = 25 ºC son 273,15 + 25 = 298,15 ºK.

La ecuación que relaciona el calor que necesita una sustancia con el calor específico de la misma, su masa y la diferencia de temperaturas es:

Q = c · M · (tf - ti ) = 1 5.000 · (348,15 – 298,15) = 250.000 cal = 250 Kcal

Mediante una simple regla de tres se puede calcular los BTU:

Si 252 cal son 1 BTU, entonces 250.000 cal serán X BTU

Por tanto X que será el calor en BTU será:

Q = 250.000 · 1 / 252 = 992 BTU


¿qué tipos de mecanismos de transferencia de calor se producen en un intercambiador de calor? ¿Cómo se llevan a cabo?

SOLUCIÓN

Intercambiador de calor:

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3. Fluidos. Mecánica de fluidos

En cualquier planta química, los procesos se llevan a cabo mediante la manipulación o manejo de fluidos a través de tuberías, bombas, etc., de ahí la importancia de estos, y su obligado estudio. La ciencia que estudia el compor-tamiento de los fluidos es la mecánica de fluidos, independientemente de que estén en reposo (estática de fluidos) o en movimiento (dinámica de fluidos).

3.1. Introducción. Naturaleza de los fluidos. Estados de agregación de la materia

Como se sabe, la materia se presenta esencialmente bajo tres formas o estados de agregación diferentes: el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso. Los fluidos son las sustancias que están en fase líquida o en fase gaseosa.

\ Convección del fluido: el calor se mueve con el fluido a través de tuberías hasta el inter-cambiador de calor y será uniforme en todo el fluido. Se produce mediante convección forzada, ya que los fluidos son impulsados por equipos que lo mueven como pueden ser bombas.

\ Conducción de las paredes del intercambiador: la transferencia de calor se produce a través de las paredes del intercambiador desde un fluido que tiene mayor temperatura hasta el otro con menor temperatura.

\ Convección del fluido: el calor entra en contacto con el nuevo fluido que lo va a llevar a través de las tuberías y cuyo calor será uniforme en todas las partículas del fluido. Se produce mediante convección forzada.

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Cada uno de estos estados presenta unas condiciones o naturaleza directa-mente observables que les son características.

Una distinción entre los sólidos y los fluidos es la diferente respuesta frente a la acción de un esfuerzo cortante (fuerza por unidad de área), es decir, la fuerza tangencial que actúa sobre una superficie. Los sólidos inicialmente se deforman mientras persiste el esfuerzo, ya que oponen una fuerza igual y de sentido contrario a la aplicada, y tienden a recuperar su forma primitiva total o parcialmente cuando cesa el esfuerzo. Sin embargo, los fluidos se deforman o cambian de forma de manera continua, mientras persista dicho esfuerzo, ya que no presentan una fuerza que se oponga a la aplicada, lo que indica que no hay tendencia a recuperar la forma primitiva al cesar el esfuerzo aplicado.

Definición

FluidoEs toda sustancia que no sea sólida y que pueda fluir, es decir, los líquidos y los gases.

Ejemplo

Si se coge con las dos manos una goma de borrar y se dobla, se deforma inicialmente, y si se deja de doblar vuelve a su forma inicial. Por el contrario, si se coge una bolsa llena de agua con las dos manos y se hace lo mismo, cuando se deje de doblar no vuelve a la forma original.

Respecto a los fluidos, los líquidos poseen un volumen propio que se mantiene prácticamente constante aunque adopten la forma del recipiente que los contiene, los gases en cambio, adoptan la forma del recipiente y además ocupan todo su volumen interior.



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Cuando un fluido fluye a través de un canal cerrado, como por ejemplo una tubería, pueden existir dos tipos de flujo en función de su velocidad. A velo-cidades bajas se produce el flujo laminar, caracterizado por fluir sin mezclado lateral, ni corrientes cruzadas perpendiculares al flujo o remolinos. Mientras que a altas velocidades se produce el flujo turbulento, es decir, se forman re-molinos lo que provoca un mezclado lateral.

3.2. Propiedades de los fluidos: descripción, propiedades, clases, unidades, ecuaciones matemáticas

Para tener un adecuado conocimiento sobre fluidos es necesario aprender todo lo relativo a las propiedades de estos. Estas características se estudian a continuación.

Masa, peso específico y densidad. Viscosidad. Tensión superficial

Estas propiedades son esenciales para el estudio de los fluidos, por este motivo se detalla detenidamente cada una de ellas.

Masa, peso, densidad y peso específico

Para conocer estas propiedades, el primer paso es saber diferenciar el peso de la masa.

Si un líquido se almacena en un contenedor tiende a adoptar la forma de este, y cubre el fondo y las paredes laterales. En la superficie, en contacto con la atmósfera, mantiene un nivel uniforme. Cuando el contendor se inclina, el líquido tiende a derramarse.

Si se mantiene un gas a presión en un recipiente cerrado, tiende a expandirse y llenarse por completo. Si el contenedor se abriera, el gas tendería a expandirse aún más y a escapar de él.


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El peso es una fuerza y la masa es la cantidad de una sustancia. Ambos términos se relacionan por medio de la aplicación de la Ley de la Gravita-ción de Newton, en la que la fuerza (F) es igual a la masa (m) multiplicada por la aceleración (a), es decir:

Hablar del peso (P) implica que la aceleración es igual a la aceleración de la gravedad (g), y entonces la ecuación de Newton se transforma en:

Donde:

g = 9,81 m · s-2 en el S.I. y g = 32,17 pies · s-2 en el S.A.

Definición

MasaEs la medida de la cantidad de un fluido.

PesoEs la cantidad que pesa un fluido, es decir, la fuerza con la que el fluido es atraído hacia la Tierra por la acción de la gravedad.

F = m · a

P = m · g


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La unidad de masa en el S.I. es el Kilogramo (Kg), y en el S.A. es la libra (lb). La unidad de peso en el S.I. es el newton (N) que equivale a un kilogramo metro por segundo al cuadrado (Kg · m · s-2), y la unidad en el S.A. es la libra fuerza (lbf) que equivale a una libra pie por segundo al cuadrado (lb · pie · s-2).

Puesto que se habla de fluidos, líquidos y gases, es conveniente rela-cionar la masa y el peso del fluido con su volumen. Para ello se definen las propiedades de la densidad y del peso específico.

Si se denota la densidad con la letra griega r, se tiene:

Donde:

V es el volumen de la sustancia que tiene la masa m.

La unidad de la densidad en el S.I. es el kilogramo por metro cúbico (Kg · m-3), y en el S.A. es la libra por pie al cubo (lb · pie-3).

Definición

DensidadEs la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia.

Peso específicoEs la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia.

r = m / V

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Si se denota el peso específico con la letra griega g, entonces:

Donde:

V es el volumen de una sustancia que tiene peso P.

La unidad del peso específico en el S.I. es el newton por metro cúbico (N · m-3), y en el S.A. es la libra fuerza por pie al cubo (lbf · pie-3).

La relación entre el peso específico y la densidad de una sustancia se lleva a cabo mediante la siguiente ecuación:

Donde: g es la aceleración de la gravedad.

Esta ecuación se justifica teniendo en cuenta las definiciones de la densidad y el peso específico, junto con la ecuación que relaciona la masa y el peso.

Las propiedades de los fluidos varían con la temperatura. En general, la densidad y el peso específico disminuyen con el aumento de la tempe-ratura.

g = P / V

g = r · g


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Viscosidad

Cuando un fluido se mueve con respecto a un sólido o con respecto a otro fluido se produce una fricción o rozamiento en la dirección opuesta al movimiento del fluido, parecida a la que se produce sobre el suelo cuando se pretende mover una mesa de un lugar a otro. Por ello es necesario aplicar una fuerza suficiente en el sentido del flujo para poder vencer esta fricción.

Definición

ViscosidadEs la propiedad que representa la resistencia interna de un fluido al movimiento o al fluir.

Ejemplo

Si se mueve un líquido encerrado entre dos placas paralelas muy largas y muy anchas, y se hace desplazar, por ejemplo, la placa superior paralelamente a la inferior por la aplicación de una fuerza (F) a una velocidad constante (v), el líquido en contacto con la placa superior se pega a la superficie de esta y se mueve con ella a la misma velocidad. Sin embargo, el líquido en contacto con la placa inferior toma la velocidad de esa placa que como no se desplaza, es cero. De esta manera se produce un perfil de velocidades desde la placa superior donde estaría la velocidad máxima (v) hasta la placa inferior con velocidad cero, es decir, la velocidad del líquido varía entre 0 y v de forma lineal


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En los líquidos, la viscosidad se debe a las fuerzas de cohesión entre las moléculas que hace que aparezca esta fricción entre las capas, y en los gases por las colisiones que se producen entre las moléculas cuando se produce el movimiento del gas. Los líquidos son mucho más viscosos que los gases.

Nota

El aceite fluye más despacio que el agua porque tiene mayor viscosidad.

Comportamiento de un fluido entre dos placas paralelas cuando se desplaza la placa sueprior con una velocidad constante por la aplicación de un fuerza

Placa móvil

Placa fija

B B’ F

Vh

Esto se debe a la fuerza de fricción interna que se desarrolla en las diferentes capas del fluido a medida que se obligan a moverse una con relación a las otras. Esta medida de resistencia a la deformación del fluido o de rozamiento entre las capas del fluido por la fuerza que se aplica para moverlo es la viscosidad. Por tanto, la viscosidad sólo se produce con fluidos en movimiento y no con fluidos en reposo.



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En general, la viscosidad de los líquidos decrece con la temperatura y en los gases aumenta gracias a ella. La dependencia respecto a la presión del fluido es baja.

La viscosidad se puede medir con un parámetro llamado coeficiente de viscosidad. Existen dos:

� Coeficiente de viscosidad o viscosidad dinámica. Se designa por la letra griega m y sus unidades en el S.I. son kilogramo por metro y por segundo (kg · m-1 · s-1) o también pascales segundo (Pa·s). Su uni-dad en el S.A. es la libra por pie y por segundo (lb · pie-1 · s-1). Otra unidad que se utiliza es el poise (p) o el centipoise (cp) que es la centésima parte del poise. La relación entre el poise y las unidades del S.I. y del S.A. son:

� Coeficiente de viscosidad o viscosidad cinemática. Se designa por la letra v, y es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido. Su unidad en el S.I. es metro por segundo (m · s-1), y su unidad en el S.A. es el pie por segundo (pie · s-1). Otra unidad que se utiliza es el stoke (St). La relación entre el stoke y las unidades del S.I. y del S.A. son:

Tensión superficial

Se ha observado que en la interfase entre un gas y un líquido o entre dos líquidos inmiscibles se crean fuerzas en la superficie del líquido que

1 p = 100 cp = 0,1 Pa·s = 0,1 kg · m-1 · s-1 = 6,7197 · 10-2 lb · pie-1 · s-1

1 St = 0,0001 m · s-1 = 3,28 · 10-2 pie · s-1

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hacen que su superficie se comporte como una película, membrana o piel aunque esta no existe realmente.

Por ejemplo, si se ponen gotas de mercurio en una superficie o si se aprecian las gotas de agua que caen de un grifo o una gota de sangre sobre un vidrio, estas tienen forma esférica casi perfecta debido a que las fuer-zas de cohesión de las moléculas en su superficie tienden a mantenerlas juntas en una configuración compacta.

Es decir, las moléculas en el interior del líquido están rodeadas de moléculas que son atraídas entre sí de igual manera, de tal forma que en promedio se anulan. Pero las moléculas a lo largo de toda la superficie es-tán sometidas a esa misma fuerza neta hacia el interior del líquido, ya que la fuerza que puede aplicar una molécula de gas hacia el exterior sobre las moléculas líquidas de la superficie es despreciable. Esa fuerza de tracción

Definición

Tensión superficialEs la fuerza de atracción molecular por unidad de longitud unitaria a lo largo de cualquier línea de la superficie.

Fuerzas de atracción que actúan sobre una molécula de líquido en la superficie y a profundidad de un líquido


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hacia el interior del líquido tiene como consecuencia física la creación de la hipotética membrana y que tiendan a aglutinarse reduciendo el número de moléculas en la superficie, y reduciendo al máximo el área o superficie del fluido, dando lugar a la forma esférica.

El valor de la tensión superficial depende de los fluidos en contacto y de la temperatura. En general, la tensión superficial de un líquido dis-minuye cuando aumenta la temperatura. El efecto de la presión sobre la tensión superficial es despreciable.

Los efectos de la tensión superficial solo son apreciables en fenómenos de pequeñas dimensiones, como en el caso de tubos capilares, burbujas, gotas y situaciones similares.

Sabía que...

El efecto de capilaridad es el ascenso o descenso de un líquido en un tubo de diámetro pequeño insertado en un líquido. La superficie libre curva de un líquido en un tubo capilar se llama menisco.

Ascenso y descenso de agua y mercurio líquido por capilaridad en un tubo de vidrio de diámetro pequeño

H2O Hg

http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

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La tensión superficial de una sustancia puede cambiar de forma impor-tante con la presencia de impurezas. Por tanto, a un líquido se le puede añadir algunos productos químicos, denominados surfactantes, para dis-minuir su tensión superficial.

La tensión superficial se denota por la letra griega s, y sus unidades son de fuerza por longitud, es decir, en el S.I. de newton por metro (N · m-1) y en el S.A. de libras-fuerza por pies (lbf · pie-1).

Presión. Concepto de presión

La presión (P) ejercida por un fluido vendrá expresada por la relación entre una fuerza (F) y la superficie (S) sobre la que dicha fuerza actúa:

Si se adopta como unidad de fuerza, por ejemplo, el newton (N), y como unidad de superficie el metro cuadrado (m2), todo ello según el S.I. se tiene como unidad de presión el pascal (Pa), es decir:

Definición

PresiónEs la fuerza que ejerce un fluido por unidad de superficie.

P = F / S

1 Pa = 1 N · m-2


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La unidad de presión pascal es muy pequeña para las presiones con las que se trabaja en la práctica, por lo que se utilizan normalmente sus múlti-plos, el kilopascal (kPa) o el megapascal (MPa) que equivalen a 103 y 106 Pa respectivamente.

También se utilizan otras unidades de presión como:

Como se puede apreciar, las unidades de presión bar, atm y Kgf/cm-2, son prácticamente equivalentes entre sí.

En el S.A., la unidad de presión es la libra-fuerza por pulgada cuadrada (lbf · pulg-2) o también denominada psi, siendo la relación con la atm de:

Las unidades de presión Kgf · cm-2 y lbf · pulg-2, también se denominan Kg · cm-2 y lb · pulg-2 respectivamente.

Definición

Presión absolutaEs la presión real de un fluido, y se mide en relación con el vacío absoluto.

El bar 1 bar = 105 N · m-2 = 105 Pa = 100 kPa

La atmósfera 1 atm = 101.325 N · m-2 = 101.325 Pa = 101,325 kPa = 1,01325 bar

El kilogramo-fuerza (o kilopondio) por centímetro cuadrado

1 Kgf/cm-2 = 98.000 N · m-2 = 98.000 Pa = 98 kPa = 0,9807 bar = 0,9679 atm

1 atm = 14,233 psi


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Al indicar la presión se debe mencionar si esta es absoluta o relativa. El valor absoluto de la presión es el que esta tiene en sí, y el valor relativo es el que posee cuando se la compara con alguna otra presión con la que esté ín-timamente relacionada. Si se compara con la atmosférica (que depende de la altura respecto el nivel del mar) se denomina manométrica, aunque también es relativa.

Por tanto:

La presión atmosférica es la presión ejercida sobre todos los cuerpos que hay sobre la Tierra por la atmósfera. Los instrumentos destinados a medir la presión atmosférica se llaman barómetros.

Ejemplo

Si un manómetro, equipo de medición de presiones relativas, marca una presión de 5 bar en un equipo a presión, se sabe que es relativa, y que la absoluta es de 6 bar (suponiendo que la presión atmosférica sea de 1 bar a nivel del mar). Si el manómetro marca en el mismo equipo una presión de 0 bar, este está a presión atmosférica, ya que todos los instrumentos de medida de presión se calibran para que den una la lectura cero en la presión atmosférica.

Presión relativaEs la presión comparada con otra presión con la que está estrechamente relacionada. Si se compara con la atmosférica se denomina presión manométrica.


Presión absoluta = presión relativa o manométrica + presión atmosférica


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Las presiones por debajo de la atmosférica se conocen como presiones de vacío y se miden con instrumentos de vacío.

Los fluidos están sometidos a variaciones grandes de presión en función del sistema en que se utilizan.

Existen dos principios importantes acerca de la presión en fluidos:

■ La presión actúa de modo uniforme en todas las direcciones de un volu-men pequeño de fluido.

■ En un fluido confinado por fronteras sólidas, la presión actúa de manera perpendicular a la pared.

Por tanto, si se conoce la cantidad de fuerza que se ejerce sobre un área dada, es posible calcular la magnitud de la presión en un fluido.

Compresibilidad de los gases. Incompresibilidad de los líquidos

Si se tiene aire u otro gas dentro de un cilindro equipado con un émbolo móvil y muy ajustado, es posible comprimirlo con mucha facilidad si se em-puja. Por ejemplo, cuando se infla un balón o una llanta de una bicicleta con una bomba de mano. Conforme se oprime el émbolo, el volumen del gas de reduce de manera apreciable, al tiempo que la presión se incrementa. Pero si el cilindro tuviese agua en vez de aire habría que aplicar una fuerza enorme, lo que aumentaría la presión del agua, pero su volumen cambiaría muy poco.

Ejemplo

El agua en las tuberías domésticas, está a una presión superior a la atmosférica para que salga con rapidez del grifo.

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Estas observaciones conducen a las siguientes descripciones generales de líquidos y gases:

■ Los gases se comprimen con facilidad. ■ Los líquidos se comprimen muy poco.

La compresibilidad se refiere al cambio de volumen (V) y por tanto de den-sidad que sufre la masa de un fluido, es decir, los gases, cuando está sujeta a un cambio de presión. Cada gas tiene un factor de compresibilidad diferente, es decir, que para igual masa, temperatura y presión en un mismo cilindro de compresión se tienen diferentes volúmenes para distintos gases.

Una propiedad usada normalmente para caracterizar este fenómeno es el módulo de elasticidad volumétrico o módulo volumétrico (Ev):

Donde:

■ Ev = módulo de elasticidad volumétrico en unidades de presión, es decir, newton por metro cuadrado o pascales, (N · m-2) (Pa), si es S.I., o libra fuerza por pulgadas al cuadrado, (lbf · pulg2), si es S.A.

■ Dp = incremento de presión, inicial y final, en las mismas unidades de presión.

Definición

CompresibilidadEs la propiedad que presentan los gases de poder ser comprimidos.

Ev = [-Dp] / [(DV)/V]


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■ DV = incremento de volumen, inicial y final, en unidades de volumen. ■ V = volumen inicial, en unidades de volumen.

El signo negativo de la ecuación es debido a que un aumento de presión produce una disminución de volumen.

Valores altos del módulo volumétrico indican que el fluido es relativamente incompresible, y por tanto, se necesita un cambio muy grande en la presión para producir un cambio pequeño en el volumen.

Los valores del módulo volumétrico para líquidos son muy grandes, por lo que se puede afirmar que los líquidos en general se pueden considerar como incompresibles para cualquier aplicación práctica en ingeniería. Esto quiere de-cir que los líquidos tienen volúmenes o densidades prácticamente constantes.

Presión de vapor

En un recipiente cerrado con un líquido en su interior, como por ejemplo la gasolina, se hace el vacío porque este líquido tiene tendencia a vaporizarse y sus moléculas son continuamente expulsadas hacia la superficie. Cuando tiene lugar el equilibro y el número de moléculas que salen del líquido es igual que las que entran se dice que el vapor está saturado. La presión ejercida por el vapor sobre la superficie del líquido se denomina presión de vapor del líquido, y se denota como pv.

Definición

Presión de vaporEs la presión ejercida por el vapor de una sustancia cuando se encuentra en equilibro de fases con su líquido a una temperatura determinada.

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La presión de vapor varía de un líquido a otro y aumenta notablemente al elevarse la temperatura. Cuando la presión absoluta de un líquido alcanza la presión de vapor a una temperatura dada se produce la ebullición. Por tanto, es posible la ebullición de un fluido si a una presión dada se aumenta la tem-peratura o si a una temperatura dada se aumenta la presión.

Un fenómeno negativo que resulta de la presión de vapor es la cavitación. Cuando un flujo líquido alcanza localmente la presión de vapor, porque dismi-nuye su presión en zonas estrechas de una tubería o bomba, se forman micro-burbujas de vapor de agua. Estas son arrastradas por el flujo y, una vez que alcanzan zonas de mayor presión, implosionan, pudiendo generar importantes daños en los mecanismos hidráulicos y tuberías. Para evitar la cavitación no se debe permitir que la presión en cualquier punto sea inferior a la presión de vapor.

Ecuación de estado de los gases

Se llama ecuación de estado a cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y el volumen o la densidad de una sustancia. Esta variará por tanto de una sustancia a otra.

Para los gases ideales o perfectos se puede obtener esta ecuación de estado:

Recuerde

La cavitación puede provocar importante daños en las tuberías y en los mecanismos hidráulicos, y se debe evitar que la presión en algún punto de la conducción sea inferior a la presión de vapor.

P · V = n · R · T


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Donde:

■ P = presión absoluta en atmósferas (atm). ■ V = volumen del gas en litros (l). ■ n = número de gramos-mol del gas (gmol), es decir, la masa en gramos de gas dividido por su peso molecular.

■ R = constante de la ley de los gases perfectos que tiene el valor de 0,0821 (atm · l · gmol-1 · ºK-1).

■ T = temperatura absoluta en grados kelvin (ºK).

La ecuación anterior, denominada ecuación de estado para un gas ideal, también se puede obtener en función de la densidad del gas, de tal forma que la densidad del gas está relacionada con la presión y la temperatura:

Donde:

r = la densidad molar en gramos-mol por litros (gmol · l-1).

Para comparar diferentes cantidades de gases se definen las condiciones estándares de temperatura y presión (1 atmósfera y 273,15 ºK). En estas con-diciones el volumen que ocupa un gramo-mol de un gas es:

Se ha observado en forma experimental que los gases reales se aproximan con bastante exactitud al cumplimiento de esta ecuación cuando tienen den-sidades bajas, y esto se consigue a presiones bajas y temperaturas altas. Por ejemplo, gases como el aire, el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno y los gases nobles se pueden tratar como gases ideales.

P = r · R · T

1 gmol = 22,414 l

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Teniendo en cuenta este problema, se han propuesto muchas ecuaciones de estado para gases reales, pero ninguna se ha generalizado. Se comenta, por ejemplo, la ecuación de Van der Waals:

Donde:

■ v = volumen molar, es decir, V/n. ■ a y b son dos constantes características de cada gas.

Problemas relativos al manejo de gases

Los problemas relativos al manejo de gases se pueden distinguir desde tres puntos de vistas, el operacional, la seguridad industrial y el medioambiental, aunque los tres están estrechamente relacionados.

Desde el punto de vista operacional, el primer problema se origina porque tan-to el almacenamiento como el transporte de gases se producen a altas presiones. Para ello, es necesaria una cantidad de energía muy grande mediante compre-sores para aumentar la presión de los gases, pero esto es caro, y además, el al-macenamiento de los gases debe estar en las inmediaciones de los compresores.

Esto tiene riesgos importantes por el peligro que supone trabajar a presio-nes elevadas y se necesitan instalaciones mucho más caras, complejas y sobre todo seguras que si se almacenan o transportan líquidos. Por ejemplo, para el

Recuerde

La ecuación de estado de los gases ideales es P · V = n · R · T

(P + a/v2) · (v – b) = R · T


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almacenamiento se utilizan recipientes dilatables con características y dimen-siones muy específicas y seguras.

Otro problema es el volumen que ocupan y el peso que tienen en compa-ración con su estado líquido. Por ejemplo, el gas natural se convierte a fase líquida dando lugar a gas natural licuado a una temperatura de -160 ºC. En este estado el volumen es 600 veces menor, lo que hace más fácil su transpor-te y almacenamiento.

Por otro lado, los gases deben estabilizarse para su transporte, es decir, hay que eliminar componentes que puedan llegar a condensar posteriormente como el agua o hidrocarburos. Estos pueden ocasionar problemas de corrosión, represionamiento en las líneas e instalaciones, formación de hidratos, incrus-taciones de sales o disminución en la capacidad de transporte.

Al comprimirse un gas, aumenta su temperatura, y en ocasiones son exce-sivas y ocasionan problemas con los materiales con los que están construidas las instalaciones.

Con respecto a los problemas de seguridad industrial y medioambiental, estos gases tienen riesgos químicos y físicos potenciales definidos en la si-guiente tabla.

Nota

Por todo ello, en ocasiones, se tiende a la licuefacción o licuación que es el cambio de estado gaseoso a líquido consistente en aumentar suficientemente la presión y reducir la temperatura para que un gas pase a estado líquido, como ocurre, por ejemplo, con el gas licuado del petróleo.

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Por todo ello, es extremadamente importante que no existan fugas ni fallos en las instalaciones, y que las condiciones de trabajo y de las instalaciones, y su mantenimiento, revisiones e inspecciones sean las correctas y reglamentarias.

Estática de fluidos

En la estática de fluidos, la propiedad más importante es la presión del fluido. La presión en un fluido estático se considera como la fuerza superficial que ejerce este perpendicular a las paredes del recipiente que lo contiene.

Como se sabe, en un fluido contenido en un recipiente existe presión en cualquier punto de este. En los gases es igual en todo su volumen, y en los líquidos la presión es la misma en cualquier punto en la misma dirección hori-zontal, es decir, a la misma altura o profundidad, y sin embargo, cambia en la dirección vertical por el efecto de la gravedad.

Definición

Estática de fluidosEstudia el comportamiento de los fluidos cuando estos están en reposo.

La inflamabilidadLos gases inflamables pueden inflamarse en una cierta proporción en combinación con el aire u otras sustancias oxidantes.

La toxicidadLos gases tóxicos pueden dañar seriamente e incluso matar seres humanos si los inhalan o absorben a través de la piel.

La asfixia Un gas asfixiante puede provocar la muerte en un ser humano por falta de oxígeno.

La presiónCuanto mayor sea la presión, mayor será la energía acumulada en la instalación, y por tanto, mayor puede ser en impacto en caso de ruptura o explosión de esta.

La corrosión Los gases corrosivos atacan la piel y las mucosas del cuerpo humano.

ContaminaciónLos gases pueden dañar la capa de ozono, agravar el calentamiento global o contaminar el agua.


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La presión en cualquier punto del líquido es directamente proporcional al peso de la columna vertical de dicho líquido situada sobre ese punto. La presión es a su vez proporcional a la profundidad del punto con respecto a la superficie, y es independiente del tamaño o forma del recipiente. La presión en un líquido aumenta con la profundidad, ya que descansa sobre él más líquido, y por tanto, en las capas más profundas hay más presión que en las proximi-dades a la superficie.

La presión en el fondo de una tubería vertical llena de agua de 3 cm de diámetro y 10 m de altura es la misma que en el fondo de un lago de 10 m de profundidad. De igual forma, si una tubería de 25 m de longitud se llena de agua y se inclina de modo que la parte superior esté solo a 10 m en vertical por encima del fondo, el agua ejercerá la misma presión sobre el fondo que en los casos anteriores, aunque la distancia a lo largo de la tubería sea mucho mayor que la altura vertical de esta. Pero la presión en el fondo de una columna de mercurio de la misma altura será 13,6 veces superior, ya que el mercurio tiene una densidad 13,6 veces mayor a la del agua.

Para calcular la presión de un líquido en un recipiente a cualquier profun-didad del mismo se utiliza la siguiente expresión matemática:

Donde en unidades del S.I.:

■ P = la presión ejercida sobre las paredes del recipiente que contiene el líquido en pascales (Pa).

■ Patm = la presión atmosférica en pascales (Pa). ■ h = profundidad a la que se encuentra el punto en que se quiere medir la presión en metros (m).

■ r = la densidad del líquido en kilogramo por metro cúbico (Kg · m - 3). ■ g = la aceleración de la gravedad en metros por segundo al cuadrado (m · s - 2).

P = Patm + h · r · g

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Además, a partir de la ecuación anterior, se puede calcular la diferencia de presión de un líquido entre dos puntos en un recipiente. Esta será:

Por tanto se puede concluir que la forma del recipiente no afecta a la presión de un líquido, ya que lo que determina la presión es la altura vertical de este.

En las plantas químicas es importante medir y controlar la presión en un recipiente o la diferencia de presiones en un proceso. Para ello se utiliza el manómetro de tubo en U.

Por ejemplo, sirve para calcular la presión de un depósito de gas donde la presión es la misma en todo su volumen, ya que los efectos de la gravedad so-bre los gases son despreciables. Además, la presión en el fluido del manómetro no varía en dirección horizontal, por lo que PA = PB. La columna diferencial de fluido de altura h está en equilibrio estático y abierta a la atmósfera, entonces, con la ecuación del cálculo de la presión a una profundidad dada se obtiene que la presión en el depósito (P2) es:

Donde:

ra = densidad del líquido en el tubo.

P2 – P1 = (h2 – h1) · r · g

P2 = Patm + h · ra · g


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Otro caso es el cálculo de la diferencia de presiones entre dos puntos en un proceso, por ejemplo, antes y después de un equipo con cambio de presión. La presión P2 se ejerce sobre un brazo del tubo y P1 sobre el otro. Una de ellas puede ser incluso la presión atmosférica. La parte superior del manómetro está llena del líquido B con una densidad rB y la parte inferior con el líquido A con una densidad rA. El líquido A es más denso que B y ambos son inmiscibles. La diferencia de presiones entre los fluidos A y B será:

Manómetro en U para medir la presión en un depósito

Patm

Presión a medir

h

AB

Manómetro en U para medir diferencias de presión

P1P2

Fluido B, rB

Fluido A, rA

h

P1 - P2 = h (rA - rB ) · g

P1 – P2 = h (rA – rB) · g

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Un manómetro en U se utiliza para calcular la presión en un tanque de gas, siendo la presión ejercida sobre el otro brazo del manómetro la atmosférica (96 KPa). El fluido del manómetro es el agua, con densidad de 1000 Kg · m-3 y la lectura del manómetro de 0,25 m. ¿Cuál será la presión en el tanque?

SOLUCIÓN

Para resolver esta práctica se debe utilizar la ecuación:

P = Patm + h · r · g

De tal manera que sustituyendo los datos se tendrá que la presión absoluta en el tanque es:

P = 96.000 + 0,25 ·1.000 · 9,81 = 98.452,5 Pa = 98,5 KPa


Un manómetro en U se utiliza para calcular la caída de presión del agua entre dos puntos en un proceso industrial químico. El fluido más pesado, el mercurio, tiene una densidad de 13.600 Kg · m-3 y el menos pesado, el agua, tiene una densidad de 1.000 Kg · m-3. Si la lectura del manómetro es de 0,25 m. ¿Cuál es la diferencia de presiones en kilopascales?

SOLUCIÓN

Para resolver esta práctica se debe utilizar la ecuación:

PA – PB = h (rA – rB) · g

De tal manera que sustituyendo los datos se tendrá que la diferencia de presiones es:

PA – PB = 0,25 (13.600 – 1.000) · 9.81 = 30.901,5 Pa = 30,9 KPa



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4. Electricidad

La electricidad es una manifestación física relacionada con los electrones de los átomos. Se trata de una de las formas de energía que más ventajas está aportando en la actualidad a lo seres humanos y es imprescindible en cual-quier planta química.

4.1. Corriente eléctrica

La corriente eléctrica es el desplazamiento de carga eléctrica en forma de electrones libres por un conductor eléctrico. Este desplazamiento se produce siempre desde el polo negativo al positivo, ya que el sentido lo establecen los electrones desde el punto donde hay exceso de estos hasta el punto donde hay defecto de ellos.

Intensidad de corriente. Voltaje. Resistencia eléctrica. Ley de Ohm

Las tres magnitudes fundamentales en electricidad son la intensidad de corriente, el voltaje y la resistencia eléctrica. Las tres se relacionan mediante la ley de Ohm.

Intensidad de corriente

La intensidad de corriente (I) es una medida de la cantidad de corriente eléctrica o cantidad de electricidad, y se expresa matemáticamente como:

Esta es la presión absoluta, pero si se quisiera saber la presión relativa en el tanque, habría que restarle la presión atmosférica, y por tanto sería:

98,5 – 96 = 2,5 KPa


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Donde:

� I = la intensidad de corriente eléctrica en amperios (A). � Q = la cantidad de carga en culombios (C). � t = el tiempo en segundos (s).

Por tanto, cuando en un circuito se mueve una carga de un culombio en un tiempo de un segundo, se puede decir que la corriente tiene una intensidad de un amperio.

Con un símil hidráulico, la intensidad de corriente es parecida al cau-dal, es decir, a la cantidad de agua que pasa por una tubería por unidad de tiempo, por ejemplo, litros por segundo.

Para medir la intensidad de corriente se utiliza el amperímetro.

Voltaje

El voltaje, la tensión eléctrica o diferencia de cargas es el que produce todo generador de electricidad como pila, alternador, etc., y para ello, toma electrones del polo positivo y los deposita en el polo negativo. Para llevar a cabo esto, en el interior del generador se necesita desarrollar una energía, y esto se realizará mediante la fuerza electromotriz (f.e.m.).

Definición

Intensidad de corriente eléctricaEs la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor por unidad de tiempo.

I = Q / t


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La fuerza electromotriz es la que permite la circulación de los electro-nes. Por ejemplo, en una pila la fuerza electromotriz es el proceso químico interno que da lugar a la energía que pone en movimiento a los electrones.

La unidad de medida de la tensión eléctrica, diferencia de potencial o voltaje es el voltio (V). La unidad de medida de la fuerza electromotriz también es el voltio.

Siguiendo con el símil hidráulico, la tensión eléctrica equivale a la fuerza de presión que ha generado una bomba para hacer que el agua circule por una tubería, y el generador eléctrico equivale a la bomba.

Para medir el voltaje se utiliza el voltímetro.

Resistencia eléctrica

La explicación física de la resistencia eléctrica es que los electrones circulan a través de los átomos de los conductores, produciendo un roza-miento que se transforma en calor. Este rozamiento que es la resistencia al movimiento de los electrones es lo que se conoce como resistencia.

Definición

Voltaje, tensión eléctrica o diferencia de potencialEs la diferencia de cargas entre dos puntos cargados eléctricamente que da lugar a que los electrones se muevan ordenadamente a través de un conductor, produciéndose así una corriente eléctrica.

Fuerza electromotrizEs la fuerza necesaria para desplazar los electrones desde el polo positivo al negativo, para así poder crear la diferencia de cargas en el conductor.

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La resistencia eléctrica será mayor o menor dependiendo del tipo de material del conductor, por lo que puede ayudar a elegir los mejores o peores conductores eléctricos. Si la resistencia eléctrica es muy alta el conductor será peor y viceversa.

La unidad de medida de la resistencia eléctrica (R) es el ohmio (Ω).

En la práctica, muchas resistencias son aparatos que transforman la energía eléctrica en otra diferente. Ejemplos: lavadoras, planchas, etc.

La resistencia se mide con el óhmetro o también llamado ohmímetro.

La resistencia de una sustancia depende de la naturaleza del material con el que está hecha, y según esta, existen materiales conductores y ais-lantes eléctricos. Mientras los materiales conductores permiten el paso de corriente con relativa facilidad, los aislantes la impiden.

Recuerde

El paso de la corriente eléctrica depende de la diferencia de potencial o voltaje y de la resistencia eléctrica que presenta el conductor.

Definición

Resistencia eléctricaLa dificultad que presentan los conductores al paso de la corriente eléctrica.


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Son buenos materiales conductores prácticamente todos los metales como por ejemplo, hierro, plata o platino. Unos son mejores que otros, pero el más utilizado es el cobre.

Son buenos materiales aislantes, entre otros, las cámaras de vacío, el vidrio, los plásticos, la porcelana o el aceite mineral. Gracias a ellos se puede aislar la electricidad.

Ley de Ohm

La ley de Ohm relaciona las tres magnitudes comentadas anteriormente y establece que “la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional al voltaje o diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo”.

Y por tanto se puede expresar matemáticamente en la siguiente ecuación:

Donde:

� I = la intensidad de corriente en amperios (A). � V = el voltaje, tensión o diferencia de potencial en voltios (V). � R = la resistencia en ohmios (Ω).

En la práctica, si se conocen dos de las tres magnitudes eléctricas, se puede calcular la tercera.

De la ecuación anterior puede despejarse la tensión si se conoce el valor de la intensidad y la resistencia, o la resistencia, si se conoce el valor de la intensidad y la tensión, tal y como se puede observar a continuación:

I = V / R

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La explicación física es la siguiente: cuanto mayor sea la diferencia de potencial de un conductor, mayor fuerza atraerá al polo positivo los elec-trones desde el polo negativo que atravesarán la resistencia del circuito y, por tanto, será mayor la intensidad de la corriente. Cuanto mayor sea el valor de la resistencia que se opone al paso de la corriente, menor será la intensidad de esta.

Corriente continua y corriente alterna

Hay dos clases de corriente, la corriente continua y la corriente alterna.

La corriente continua es una corriente eléctrica que circula con una intensi-dad constante y en el mismo sentido a través de un conductor, y cuyo símbolo de representación es “-”.

Si se dibuja en una gráfica la corriente eléctrica (I) en función del tiempo (t) se obtiene una línea recta paralela al eje del tiempo.

Circuito eléctrico simple en el que la corriente circula desde el polo negativo de la pila al positivo pasando por una resistencia

Resistencia

Fuente de tensión

Corriente

V = I · R

R = V / I


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Este tipo de corriente se utiliza en cubas o baños electrolíticos y para ali-mentación de equipos o aparatos electrónicos.

La corriente alterna es una corriente eléctrica que circula con una intensi-dad y sentido que varía constantemente a través del conductor, y cuyo símbolo de representación es “~”.

El generador produce en intervalos de tiempo iguales cambios en la po-laridad de sus terminales de salida. Estos cambios de polaridad y por tanto de sentido e intensidad de corriente, por ejemplo, en una lámpara, deberían hacer que esta se encendiese y apagase constantemente, pero estos cambios de polaridad son tan rápidos que no pueden ser percibidos por el ojo humano.

Representación de la intensidad de corriente en función del tiempo en un circuito de corriente continua

I (A)

t (s)

Ejemplo

Un circuito muy simple es una pila que proporciona corriente continua a una lámpara, y con un amperímetro se señala una corriente constante en el tiempo.

Circuito de corriente continua con pila, amperímetro y lámpara

A

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Si se dibuja en una gráfica la corriente en función del tiempo se obtiene una línea ondulada que se va repitiendo constantemente en el tiempo. Si, por ejemplo, fuese una lámpara, en la zona positiva, es decir, por encima del eje del tiempo, estaría encendida, y en la negativa apagada.

Resistencia de un conductor filiforme. Resistividad

Como ya se sabe, la resistencia eléctrica (R) es la dificultad al paso que encuentra la corriente eléctrica para circular a través de un conductor.

Ejemplo

Un circuito muy simple es conectar una bombilla en un circuito con un amperímetro (con el cero de la escala en el centro) y una dinamo de una bicicleta que actuará como generador. Cuando se mueve el rotor de la dinamo lentamente, la aguja indicadora del amperímetro señala hacia la derecha e izquierda variando constantemente su intensidad de corriente.

Su campo de aplicación es mucho más amplio debido a que es más fácil de generar y de transportar, por lo que se producen en las centrales eléctricas y se utiliza en las viviendas y en la industria en general.

Representación de la intensidad de corriente en función del tiempo en un circuito de corriente alterna

I (A)

t (s)


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Atendiendo a esto se puede entender que cuanto mayor longitud tenga un conductor, mayor será su resistencia debido a que la corriente eléctrica y, por tanto sus electrones, tendrán más dificultad en atravesarlo.

Por otro lado, si aumenta la sección del conductor, los electrones tendrán más libertad para moverse y la resistencia será menor.

Un conductor filiforme es aquel conductor con forma de hilo largo y sección circular pequeña.

Para calcular la resistencia de un conductor filiforme de sección constante, la fórmula general es:

Siendo:

■ R = la resistencia del conductor en ohmios (W). ■ L = la longitud del conductor en metros (m).

Recuerde

La resistencia de un conductor aumenta con su longitud y disminuye con su sección.

Dibujo de un tramo de un conductor filiforme

A

L

R = r · (L / S)

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■ S = la sección del conductor en milimetros cuadrados (mm2). ■ r = el coeficiente de resistividad (W · mm2 · m-1).

La resistividad, que se designa por la letra griega r y se mide en ohmios milímetros cuadrados por metro (W · mm2 · m-1), describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es ese material.

A partir de la resistividad se puede calcular la conductividad eléctrica de una sustancia, es decir, la capacidad que tiene un material para conducir la corriente.

La conductividad se calcula como la inversa de la resistividad. Se designa por la letra griega s y se mide en siemens por metro (S · m-1) o (W-1 · m-1):

Un valor de resistividad alto y por tanto de conductividad bajo indica que el material es un mal conductor, mientras que un valor de resistividad bajo y conductividad alto señala un buen conductor.

Efecto joule. Potencia eléctrica

Es bastante interesante conocer para esta actividad qué es el efecto joule en un conductor y qué es la potencia eléctrica de un dispositivo.

Definición

ResistividadEs la resistencia eléctrica específica de un material.

s = 1 / r


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Efecto joule

Para un conductor por el que circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética del movimiento de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan. El movimiento de los electrones en un cable es desor-denado, lo que provoca continuos choques entre ellos y como consecuen-cia un aumento de la temperatura en el propio cable.

El efecto fue definido de la siguiente manera: “el calor generado por una corriente eléctrica es directamente proporcional al cuadrado de la in-tensidad de corriente eléctrica, al tiempo que esta circula por el conductor y a la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente”. Matemáti-camente se expresa como:

Donde:

� Q = el calor generado en julios (J). � I = la intensidad de corriente eléctrica en amperios (A). � t = el tiempo en segundos (s). � R = la resistencia en ohmios (W).

Definición

Efecto JouleEs el fenómeno por el cual se calienta un material cualquiera cuando es recorrido por una corriente eléctrica.

Q = I2 · t · R

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Si el conductor es muy fino, este se calienta hasta ponerse incandes-cente. La resistencia es el componente que transforma la energía eléctrica en calor, como, por ejemplo, en estufas eléctricas, hornos eléctricos, etc. Para estos y otros aparatos eléctricos, este es el efecto deseado: el calor desprendido por el paso de la corriente eléctrica.

Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y es la razón por la que los aparatos eléctricos necesitan un ventilador que evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos eléctricos o electrónicos.

Potencia eléctrica

La potencia es la tensión que impulsa a moverse a los electrones por un conducto multiplicado por la intensidad de corriente eléctrica, que es la cantidad de electrones que se mueven en un circuito en el tiempo.

Pero, matemáticamente se puede calcular también mediante otras dos ecuaciones, relacionadas la tres por la Ley de Ohm:

Definición

Potencia eléctricaEs la energía eléctrica consumida por un dispositivo conectado a un circuito eléctrico por unidad de tiempo o la que necesita cualquier aparato eléctrico para que pueda funcionar.

P = V · I


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Donde:

� P = la potencia eléctrica expresada en vatios (W). � I = la intensidad de corriente eléctrica expresada en amperios (A). � R = la resistencia expresada en ohmios (W). � V = la tensión expresada en voltios (V).

El aparato que mide la potencia eléctrica es el vatímetro.

A partir de la potencia se puede calcular la energía eléctrica consu-mida por un receptor o aparato eléctrico conectado a la instalación. Este cálculo es muy importante, ya que sobre él facturan el consumo eléctrico las compañías eléctricas. La ecuación que los relaciona es:

Donde:

� E = la energía eléctrica consumida en julios (J). � P = la potencia eléctrica en vatios (W). � t = el tiempo en segundos (s).

El julio es la unidad de medida perteneciente al S.I. de medidas, pero al ser esta una unidad muy pequeña se suele utilizar para la potencia eléctrica el Kilovatio que son 1.000 vatios y el tiempo en horas, lo que da lugar a que la unidad de energía eléctrica consumida sea el kilovatio-hora (KWh).

El aparato de medida de la energía eléctrica es el contador, que funcio-na igual que un vatímetro.

P = I2 · R o P = V2/R

E = P · t

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Unidades de medida de magnitudes eléctricas. Diagramas unifilares

Es importante hacer un repaso de las unidades de medida de las magnitu-des eléctricas estudiadas y saber cómo interpretar un diagrama unifilar de una instalación eléctrica.

Unidades de medida

Las unidades de medida de las magnitudes eléctricas que se han co-mentado a lo largo de este capítulo son los que aparecen en la siguiente tabla.

Diagramas unifilares

Todos los dispositivos eléctricos de una instalación, y a veces, el con-junto de estos dispositivos, que llevan a cabo una determinada función, se representan por un símbolo.

Estos símbolos son dibujos muy simplificados de elementos o aparatos al que representan y forman parte de un esquema eléctrico.

Amperio(A)

Es la unidad de intensidad de corriente eléctrica.

Culombio(C)

Es la unidad de carga eléctrica y equivale a 6,3 · 1018 electrones.

Voltio(V)

Es la unidad del voltaje, tensión o diferencia de potencial eléctrico y de la fuerza electromotriz.

Ohmio(W)

Es la unidad de resistencia eléctrica. La inversa de la resistencia, es decir, W-1, es el siemens (S).

Julio(J)

Es la unidad de calor generado en un conductor eléctrico. También se utiliza como unidad de medida la caloría (cal), que equivale a 4,187 J. El julio también se utiliza como unidad de la energía consumida, aunque, al ser esta una unidad muy pequeña en relación con los valores con lo que se trabaja, se utiliza normalmente el kilovatio-hora (KWh).

Vatio(W)

Es la unidad de potencia eléctrica, aunque normalmente se utiliza el kilovatio (kW), que son 1.000 W.


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El esquema es la forma más sencilla de representar las instalaciones eléctricas, y con él se puede comprender el funcionamiento de un equipo o aparato, por lo que deben ser claros y concisos.

Existen diversos tipos de esquemas eléctricos, pero el esquema unifilar o de un solo hilo es el más importante para el desarrollo de esta actividad, ya que proporcionan la visión más simplificada de una instalación y normal-mente los esquemas eléctricos suelen tener este tipo de representación.

En este tipo de esquema se simplifica mucho las instalaciones con varios conductores y varios aparatos que funcionan simultáneamente.

Se representa mediante un único conductor o aparato, cruzado por pe-queños trazos oblicuos o indicando sobre la línea principal el numero de conductores. La cantidad de trazos oblicuos que cruzan al conductor o al dispositivo indican el número de conductores o dispositivos que represen-

Importante

Las dimensiones de los símbolos no guardan proporción con el tamaño real del elemento o aparato representado, ya que no son dibujos a escala sino una representación simbólica.

Definición

Esquema o diagrama unifilarEs una representación gráfica de una instalación eléctrica o parte de ella cuyo conjunto de conductores se representa mediante una única línea independientemente de la cantidad de dichos conductores.

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ta. Por ejemplo, un único conductor cruzado por tres trazos oblicuos o un trazo con un tres indica que se trata de una línea trifásica, si son cuatro los trazos que lo cruzan se trata entonces de una línea trifásica con neutro.

Los elementos típicos de un esquema unifilar son:

� Símbolos: que representan máquinas, instalaciones, aparatos, dis-positivos o partes de elementos. Toda la simbología aparece en nor-mas UNE. Por ejemplo, un círculo significa que se trata de una máquina rotativa.

� Cableado y conexiones: el cableado se representa con líneas rectas, y se colocan normalmente las líneas de alimentación en la parte superior e inferior del dibujo y todos los dispositivos y sus interco-nexiones, entre ambas líneas.

� Marcas o referencias: permiten identificar instalaciones, máquinas, aparatos, sus elementos y conducciones. Por ejemplo, si se tiene M 3 ~ dentro de un círculo, significa que se trata de un motor (M) de corriente alterna (~) y trifásico o de tres fases (3). Y si tiene “Y”, es que el motor tiene una conexión tipo estrella.

Símbolo de un conductor trifásico en un esquema eléctrico unifilar

3

Símbolo de máquina rotativa en un esquema eléctrico unifilar


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� Leyenda: es la referencia en la que se identifica cada componente del esquema en un listado. Por ello, no es necesario aprenderse los símbolos.

Símbolo de un motor trifásico de corriente alterna en un esquema unifilar

M3

Parte de la leyenda de un diagrama unifilar

Contactor

Fusible

Relé térmico


Se conecta un equipo eléctrico de 1.000 W a la corriente, con una resistencia de 62,5 W. ¿A qué tensión habrá que conectarlo? ¿Cuál es la intensidad de corriente eléctrica? Si se utiliza durante 5 días, ¿cuál será la energía eléctrica consumida en kilovatios-hora?

SOLUCIÓN

Una de las ecuaciones de la potencia eléctrica es P = V2 / R. Como se conoce la potencia del equipo eléctrico (P) y la resistencia (R), solo hay que despejar la tensión (V) de la ecuación para obtener su resultado, es decir, la raíz cuadrada de P por R. → V = (P · R)1/2 = (62.500)1/2 = 250 V. Se conectará a una tensión de 250 V.


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Comente los elementos que tiene el siguiente tramo de esquema unifilar, ayudado por los símbolos que se han visto en este capítulo.

F 1, 2, 3

K1

F 7

3

M 3

SOLUCIÓN

Se trata de una parte de un esquema unifilar de tres fases porque aparece un tres con un trazo oblicuo al inicio de la línea (en la zona de arriba). Está formado por un motor trifásico de corriente alterna (M3~) y un contactor (K1). Además, para cada fase hay un fusible (F1, 2, 3) y un relé térmico (F7).

Para calcular la intensidad de la corriente eléctrica se puede hacer por la ecuación de la ley de Ohm: I = V / R = 250 / 62,5 = 4 A. La intensidad de corriente es de 4 A.

El consumo de energía eléctrica se calcula mediante la siguiente ecuación: E = P · t = 1 · 120 = 120 KWh. La energía eléctrica consumida es de 120 KWh. Se debe tener en cuenta que en el cálculo de la energía eléctrica se debe poner la potencia en kilovatios, en este caso 1.000 W = 1 KW, y el tiempo en horas, en este caso 5 días = 120 horas.



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5. Resumen

Para realizar operaciones de preparación, acondicionamiento, manteni-miento o reparación con máquinas e instalaciones en una planta química se deben tener unos conocimientos básicos sobre calor y temperatura, fluidos y electricidad.

El calor, que es la energía que posee un cuerpo debido al movimiento de sus partículas, hace que la temperatura, que es el valor medio de dicha ener-gía, aumente o disminuya en una sustancia.

Los tres estados de la materia más conocidos son: sólido, líquido y gaseo-so, y las transformaciones entre ellos son: fusión, solidificación, vaporización, condensación, sublimación y cristalización.

Un fluido es toda sustancia que no sea sólida y que pueda fluir, es decir, los líquidos y los gases. Para su conocimiento es necesario comprender los conceptos de masa, peso, densidad, peso específico, viscosidad, tensión su-perficial, y presión de vapor.

La ecuación de estado de los gases ideales es P · V = n · R · T, y se puede aplicar a los gases reales cuando estos tienen bajas densidades.

La estática de fluidos estudia el comportamiento de estos cuando están en reposo, y la propiedad más importante es la presión que tienen, por lo que es necesario saber cómo calcularla.

La electricidad, que es el desplazamiento de electrones por un conductor, tiene tres magnitudes fundamentales que son la intensidad de corriente (I), el voltaje (V) y la resistencia (R). Estas tres magnitudes se relacionan mediante la Ley de Ohm.

Hay dos tipos de corriente, continua y alterna. Mientras la primera tiene una intensidad y sentido constante a través del conductor, la segunda varía.

Un aspecto muy importante en la elección de un buen conductor eléctrico es su resistencia y resistividad.

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1. Indique cuáles de las siguientes son unidades de calor.

a. El BTU.b. La caloría.c. El julio.d. Todas las opciones anteriores son correctas.

2. El proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa a estado gaseoso se denomina...

a. ... vaporización.b. ... condensación.c. ... sublimación.d. ... fusión.

3. El calor específico es:

a. Una propiedad que tienen las sustancias y que depende del tamaño de estas.b. La energía necesaria que hay que aportar a la unidad de área de una

sustancia para aumentar su temperatura en un grado.c. La energía necesaria que hay que aportar a la unidad de masa de una

sustancia para aumentar su temperatura en un grado.d. La energía necesaria que hay que aportar a una sustancia para aumentar

su temperatura en un grado.

4. El mecanismo de transferencia de calor debido al movimiento macroscópico de la masa de un fluido se denomina...

a. ... conducción.b. ... convección.c. ... radiación.d. Todas las opciones anteriores son incorrectas.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

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5. En mecánica de fluidos...

a. ... un fluido puede ser un sólido, un líquido o un gas.b. ... la estática de fluidos estudia los fluidos en movimiento.c. ... se estudia el comportamiento de los fluidos en reposo.d. ... un fluido es todo material que no sea sólido y que pueda fluir.

6. La viscosidad es:

a. La fuerza que ejerce un fluido por unidad de superficie para no ser movido.b. La propiedad que representa la resistencia interna de un fluido al movi-

miento.c. La propiedad que hace que un fluido sea más denso.d. La fricción o el rozamiento en la misma dirección del movimiento del fluido.

7. Una propiedad de los fluidos es que...

a. ... la ecuación de estado para cualquier gas en cualquier condición es: P · V = n · R · T.

b. ... los gases y los líquidos se comprimen con suma facilidad.c. ... en estática de fluidos la presión de un líquido almacenado en un recipiente

aumenta con la profundidad.d. ... la cavitación es un efecto negativo que resulta de la presión.

8. Respecto a la corriente eléctrica...

a. ... cuanto mayor sea el voltaje de un conductor mayor será la intensidad de corriente eléctrica.

b. ... la ley de Ohm relaciona la intensidad de corriente eléctrica, el voltaje y la potencia eléctrica.

c. ... el símbolo de representación de la corriente continua es “~”.d. ... la intensidad eléctrica en corriente alterna respecto al tiempo es un

valor constante.

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9. La resistividad es:

a. La resistencia eléctrica que tiene un conductor filiforme.b. La resistencia eléctrica específica que tiene un material.c. La resistencia eléctrica que tiene cualquier aparato eléctrico.d. La resistencia eléctrica que tiene cualquier conductor.

10. El diagrama unifilar...

a. ... es un tipo de representación gráfica de las instalaciones eléctricas.b. ... se representa mediante un único conductor o aparato aunque en realidad

tenga varios conductores o aparatos.c. ... proporciona una visión muy simplificada de una instalación eléctrica.d. Todas las opciones anteriores son correctas.

Capítulo 2

Representación gráfica de los procesos químicos

Contenido

1. Introducción2. Sistemas de representación de instalaciones3. Interpretación de esquemas y diagramas de flujo4. Tipos de planos y diagramas5. Resumen

CAP. 2 | Representación gráfica de los procesos químicos

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1. Introducción

Para realizar operaciones con máquinas e instalaciones en una planta quí-mica es conveniente adquirir unos conocimientos mínimos sobre los diferentes tipos de esquemas, diagramas y planos para conocer cuáles son los equipos e instalaciones, cómo funcionan, qué información aportan, cuáles son sus carac-terísticas básicas, dónde se encuentran situados y cuáles son las operaciones físicas y/o químicas del proceso.

Por ello es conveniente conocer qué es una representación gráfica de un proceso químico y qué tipos de representaciones pueden existir en una planta química, es decir, conocer los tipos de esquemas, diagramas y planos existen-tes en cualquier planta, como los diagramas de flujo de entradas-salidas, de bloques, esquemáticos y de proceso, diagramas P&I, diagramas mecánicos, diagramas isométricos, y los planos o esquemas de tuberías.

También es importante saber interpretar estos esquemas, diagramas y pla-nos junto con sus elementos, símbolos e instrumentos.

2. Sistemas de representación de instalaciones

Un proceso químico es el conjunto ordenado de operaciones físicas y/o quí-micas para transformar materias primas en unos productos finales diferentes con determinadas especificaciones. Pero esto no se realiza en una sola etapa u operación, sino que tiene lugar en varias etapas o múltiples operaciones. Cada una de ellas es una operación unitaria dentro del proceso global. La interco-nexión entre estas dará lugar al proceso químico, y este puede quedar reflejado a través de una representación gráfica.

2.1. Representaciones gráficas de los procesos (importancia, descripción, función, utilidad, etc.). Análisis de ejemplos para cada caso

La representación gráfica de los procesos químicos se puede llevar a cabo mediante diagramas, ya que los planos son representaciones que requieren es-

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tar a escala y debidamente acotados. Esto no significa que los diagramas no se puedan representar en formatos que normalmente se utilizan para los planos.

En general, la mayoría de las representaciones de los procesos químicos que se utilizan a nivel operacional o de producción en una planta química se llevan a cabo mediante diagramas de flujo. Reciben este nombre porque representan la secuencia y operación que se lleva a cabo para simbolizar un proceso.

Definición

DiagramaEs una representación gráfica que esquematiza una información por medio de símbolos.

PlanosEs una representación gráfica exhaustiva del diseño, ubicación y dimensiones de un proceso o de sus elementos que debe estar a escala y debidamente acotada.

Definición

Diagrama de flujoEs la representación gráfica del proceso. Estos diagramas utilizan símbolos con significa-dos bien definidos que representan los pasos del proceso, y el flujo de ejecución mediante flechas que conectan los puntos de inicio y de fin de proceso.

Diagrama de flujo de los procesos químicosSon diagramas de flujo que presentan los procesos físicos y/o químicos que se producen en una planta química.


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La definición de diagrama de flujo es genérica, ya que se utiliza para repre-sentar un número ilimitado de procesos y procedimientos de diversas materias, por lo que cuando se habla de diagrama de flujo se quiere decir diagrama de flujo de los procesos químicos.

Se utilizan para representar en forma esquemática y simbólica los diferentes procesos físicos y/o químicos de una planta química, las etapas que los integran, los equipos que los constituyen y las conexiones que los interrelacionan.

Algunas características en la representación de los diagramas de flujo son:

■ Son dibujos formados por líneas y símbolos que ayudan a entender cómo se realiza el flujo de materia y/o energía en un proceso o en un equipo.

■ Los símbolos representan las unidades de proceso y se escogen desde el punto de vista de la claridad y simplicidad, generalmente guardan cierto parecido con el equipo que representan aunque en otros casos son bloques o rectángulos.

■ Las líneas que se conectan a dichas unidades señalan conducciones a través de las que se transfieren materiales. Estas líneas tienen forma de flechas y se denominan corrientes del proceso, de esa manera, se puede conocer cuál es el sentido del flujo.

■ Las corrientes pueden ser de entrada, si el movimiento de los materiales se produce hacia el equipo, o de salida, si el movimiento se produce desde el equipo.

■ El sentido del flujo debe ser de izquierda a derecha siempre que sea posible, es decir, las materias primas entrarán por la izquierda y los productos saldrán por la derecha.

■ Tienen un único punto de inicio y un único punto de finalización. ■ Los gases (corrientes ligeras) deben salir por la parte superior de los equipos y los líquidos o sólidos (corrientes pesadas) por la zona inferior.

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Importancia de los diagramas de flujo:

■ Facilitan la comprensión del proceso químico, ya que lo muestran a través de un dibujo que el cerebro reconoce e interpreta fácilmente. Un diagrama de flujo puede reemplazar varias páginas de texto.

■ Es la forma más clara de presentar la información y la que menos proba-bilidad tiene de ser mal interpretada.

■ Ayudan a pensar claramente porque son simples y fáciles de entender.

Utilidad de los diagramas de flujo:

■ Es una excelente herramienta para capacitar a los nuevos empleados, y también a los que desarrollan la tarea cuando se realizan mejoras en el proceso.

■ Permiten identificar, diagnosticar y resolver problemas en las operacio-nes en el día a día en la planta, e identificar las oportunidades de mejora

Diagrama de flujo para la obtención de cloro y sosa caústica

NaClBaCO3

Na2CO3

NaOH

NaOH escamasNaOH 50 %

Decantador

LodosLodos

Salmuera filtrada

Col. abs

Salmuera Aire

Aire +

H2SO4 diluido

H2SO4

Agua fríaAbsorción H2O

Desgasificador

Celda electr.Hg/Na

H2O

Vapor H2O

Hg H2 almacenaje

Cl2

Cl2

Cl2 húmedo

Cl2 seco

Cl2 lic.


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del proceso. También permiten mostrar y eliminar los pasos redundan-tes, los flujos de los re-procesos, los conflictos y los cuellos de botella.

■ Pueden predecir los efectos de cambios en las condiciones de operación.

Hay varios tipos de diagramas de flujo que son utilizados para diferentes propósitos, y que difieren en su nivel de detalle y complejidad:

■ Diagramas de flujo de entradas-salidas. ■ Diagrama de flujo de bloques. ■ Diagrama de flujo esquemático. ■ Diagrama de flujo de procesos. ■ Diagrama de flujo de proceso e instrumentación (P&I). ■ Diagrama de flujo mecánico. ■ Diagrama de flujo isométrico.

En este apartado solo se van a estudiar los que representan al proceso des-de un punto de vista global, es decir, los tres primeros, para tomar un primer contacto con los diagramas de flujo y más adelante se estudiarán el resto, que son algo más complejos, y que requiere de un aprendizaje previo sobre simbo-logía y nomenclatura.

Diagramas de flujo de entradas-salidas

Es el más simple de los diagramas de flujo de proceso y tiene las siguientes características:

■ Mediante un solo bloque se representan todas las operaciones físicas y químicas que se producen en el proceso.

■ Las líneas con flechas representan las entradas de materias primas y las salidas de productos y, en su caso, subproductos del proceso.

■ Las materias primas entran por la izquierda y los productos salen por la derecha.

■ Se pueden mostrar los caudales o las cantidades de materias primas y productos.

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Diagramas de flujo de bloques

Se trata de un diagrama simple, pero con algo más de información que el diagrama de flujo de entradas-salidas. Está formado por una serie de bloques, cajas o rectángulos conectados entre sí por corrientes mediante flechas que indican la secuencia del proceso.

Incluye la información crítica para entender un proceso. Normalmente se utiliza para traducir o resumir de manera gráfica un problema de balance de materia o energía, o para resumir un proceso complejo y que sea más fácil de entender. También puede realizarse como paso previo al diagrama de flujo de procesos.

El diagrama de flujo de bloques proporciona una idea general o global de un proceso o planta, sin entrar en ningún momento en detalles.

Este tipo de diagrama presenta las siguientes características:

■ Los procesos químicos se representan como un grupo de bloques que están interconectados, y cada uno de ellos es una unidad de proceso.

Nota

La información que aporta este tipo de diagramas es la siguiente: las materias primas que entran en el proceso, los productos que salen, y los cambios físicos y químicos que se producen en el proceso.

Diagrama de flujo de entradas - salidas para la obtención de Biodiésel

Metanol BiodiéselAceite

GlicerinaCatalizador (NaOH o KOH)


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En cada una de ellas se coloca la indicación del proceso o equipo que se representa o bien un número que se relaciona con su proceso o equipo en una leyenda. En función de lo que se quiera representar, cada unidad de proceso será un equipo o un proceso:

� Si se quiere representar un proceso, cada bloque simbolizará un equipo o varios donde se llevará a cabo una operación como pue-de ser un reactor, una torre de destilación o un absorbedor. A este diagrama se le denomina diagrama de flujo de bloques de proceso.

� Si se quiere representar una planta, cada bloque representará una parte de ella, una unidad o un proceso, con una función determina-da que puede contener varios equipos de proceso. A este diagrama se le denomina diagrama de flujo de bloques de planta.

■ La interconexión entre las unidades de procesos o bloques se producen por medio de corrientes del proceso. Nota: en ellas se pueden indicar las variables de las corrientes, es decir, la sustancia, su caudal y su concentración, o pueden estar en una tabla anexa.

■ Si las corrientes del proceso se cruzan, la horizontal se mantendrá con-tinua y la vertical se representará dividida o cortada.

Aunque en la industria química hay un número bastante importante de procesos diferentes, en este tipo de diagrama solo existen cuatro tipos de uni-dades de proceso dependiendo de su función. Estos son:

■ Mezcladores: combinan o aglutinan dos o más corrientes de entrada en una única corriente de salida.

Ejemplo de unidad de proceso tipo mezclador

MetanolMezclador

Catalizador (NaOH o KOH)

+ MetanolCatalizador (NaOH o KOH)

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■ Reactores: en ellos se producen una o varias reacciones químicas. Las corrientes de entrada están formadas por reactivos y las de salida por los productos de la reacción y los reactivos que no se consumen. En el caso más simple hay una corriente de entrada y otra de salida.

■ Divisores: dividen una sola corriente de entrada en dos o más corrientes de salidas. Si la corriente de entrada está formada por una mezcla de dos o más componentes, todas las corrientes de salida tendrán la misma composición que la entrada.

■ Separadores: separan una sola corriente de entrada en dos o más de sa-lidas. Las distintas corrientes de salida tienen composiciones diferentes entre ellas y con la corriente de entrada. Esto es debido a operaciones físicas y no a reacciones químicas. En el caso más simple hay una co-rriente de entrada y dos de salida.

Ejemplo de unidad de proceso tipo reactor

Reactor

Aceite

Biodiésel +

Glicerina

+ MetanolCatalizador (NaOH o KOH)

Ejemplo de unidad de proceso tipo divisor

Divisor

Biodiésel + Glicerina (al 50 %)



Ejemplo de unidad de proceso tipo separador

Separador

Biodiésel

Glicerina

Biodiésel +

Glicerina


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Los cuatro tipos de unidades de proceso se pueden conectar de muy diver-sas formas en un diagrama de bloques, de tal manera que las corrientes de salida de un bloque sean las corrientes de entrada de otros bloques.

La información que aporta este tipo de diagramas, además de la que sumi-nistra el de entradas-salidas, es el balance de materia (corrientes de entrada y salida y conversión), y cuáles son las principales unidades de proceso.

Diagramas de flujo esquemático

El diagrama de flujo esquemático, también llamado de masa, es un diagra-ma que no genera mucha más información que el de bloque, ya que la dife-rencia principal radica en que en vez de bloques se representan los equipos mediante dibujos o símbolos y que se incluyen otros equipos que no son los principales, pero que sí son necesarios para el proceso.

Estos símbolos conservan una apariencia física con los equipos de la indus-tria química a la que simbolizan y que hace que la representación parezca más cercana a la realidad.

Hay una multitud de símbolos que representan los equipos en un diagrama de flujo esquemático, y que también se utilizan en otros que se estudiarán más adelante. Su nivel de detalle y exactitud en la representación es variable de una empresa o de una ingeniería a otra.

Nota

El inconveniente es que solo muestran las principales unidades del proceso y los materiales que fluyen entre ellas, pero en un proceso de una planta química no son prácticos debido a que se necesita tener mucha más información para ser operativos.

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Este tipo de diagrama presenta las siguientes características:

■ Los procesos físicos y/o químicos aparecen representados como un gru-po de equipos principales del proceso, y otros equipos, no tan importan-tes, interconectados entre sí.

■ Estos equipos se representan simbólicamente mediante “iconos”, tanto los que identifican operaciones unitarias específicas (equipos principa-les del proceso), como los que se utilizan para mover el material (bom-bas, cintas transportadoras, compresores, etc.), como los equipos para calentar o enfriar (intercambiadores de calor, hornos, evaporadores, etc.)

Selección de símbolos para representar equipos utilizados en diagramas de flujo

Torre de platos

Torre empacada

Secador rotatorio

Secador de gabinete

Secador por aspersión

Tanque

Tanque agitado

Tanque con serpentín

Tanque enchaquetado

Triturador vertical

Molino de engranes

Molino de bolas

Mezclador de cintas

Mezclador de hojas

EvaporadorIntercambiador

de coraza y tubos

Cambiador de calor de

placas

Filtro prensa

Decantador Bomba ReactorTorre de

enfriamiento de agua

Quemador Caldera

Filtro de aire

Filtro rotatorio

Tambor de separación

VentiladorTrampa de

vaporCentrífuga

VálvulaSecador de

bandaCompresor Extractor Cristalizador Alambique


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y los servicios auxiliares que afectan a los equipos principales (vapor de agua, agua de enfriamiento, etc.).

■ A cada equipo se le asigna un nombre que lo describa, un número o una o varias letras para designarlos, y en una leyenda aparecerá su descrip-ción. Por ejemplo, al horno H, al reactor R, al intercambiador de calor E o al tanque TK.

■ Las corrientes del proceso que se representan mediante líneas con flecha, conectan los equipos y representan entradas y salidas. Mientras sea po-sible, estas corrientes entrarán por la izquierda y saldrán por la derecha.

La información que aporta es la misma que en el diagrama de flujo de blo-ques, es decir, el balance de materia del proceso (corrientes de entrada y salida y conversión), cuáles son las principales unidades de proceso y los cambios físicos y químicos que se producen en estos. Además se indican cuáles son los equipos auxiliares necesarios para llevarlo a cabo.

Son los más utilizados en los procesos químicos debido a que dan una idea clara del proceso, sirven como medio de instrucción del personal relacionado con él, ayudan a la realización de los balances de materia y energía, y facilitan el diseño y acomodamiento de la planta.

El inconveniente de este tipo de diagramas, al igual que el de bloques es que solo muestran los equipos del proceso y los materiales que fluyen entre ellos, pero en un proceso de una planta química no son prácticos debido a que se necesita tener mucha más información para ser operativos.

Recuerde

Los diagramas de flujo esquemáticos se diferencian de los de bloques en que los primeros, en vez de bloques, tienen símbolos que representan a los equipos, y que además en ellos aparecen otros sistemas para mover el material, para calentar o enfriar e incluso, los servicios auxiliares.

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2.2. Aplicaciones prácticas sobre diagramas de flujo

Aplicación práctica 1

Para el siguiente diagrama de flujo, de obtención de biodiesel, indique qué tipo de diagrama es y por qué, y realice una breve descripción del proceso que representa.

Solución

Es un diagrama de flujo de bloques de proceso, ya que se trata de un grupo de rectángulos o bloques interconectados. Cada uno de estos es un equipo o varios equipos de un proceso. Si fuese de planta, cada bloque sería un proceso, pero en este caso son procesos unitarios. Por ello, es un diagrama de bloque “de procesos”. Las distintas fases que se representan son las más importantes del desarrollo de obtención de biodiésel a partir de metanol y aceite vegetal. La interconexión entre bloques se hace por medio de flechas.

Se introduce en un reactor metanol, aceite y un catalizador que puede ser hidróxido sódico o de potasio, para llevar a cabo la reacción de tran-sesterificación. Como el producto tiene pH básico, ya que la reacción ha utilizado como catalizador una sustancia básica, se añade un ácido mine-ral para neutralizarlo y reducir el pH. El producto de esta reacción es el biodiésel y como subproducto la glicerina, que se separan. Posteriormente

Diagrama de flujo para la obtención de biodiésel

Reactor (Transesterificación)

Mezclador SeparadorDeshidratador

y secadoBiodiéselMetanol

Glicerina Agua

Catalizador (NaOH o KOH) Ácido mineralAceite


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se deshidrata y seca el biodiésel para eliminar el agua presente, y parte de este se recircula a la cabecera del proceso.


Para el siguiente diagrama de flujo para la obtención de dimetiléter, me-tanol y etanol: indique qué tipo de diagrama es y por qué, y realice una breve descripción del proceso que representa.

Solución

Se trata de un diagrama de flujo esquemático porque se representan los equipos mediante dibujos o símbolos. Se incluyen además de los equi-pos principales que identifican operaciones unitarias físicas y químicas como reactor, separador o torre de destilación de platos, otros equipos que son necesarios para el proceso como el compresor, el calentador o los enfriadores y calentadores (estos dos últimos, que son intercambiadores de calor, no se nombran y se encuentran en la zona de arriba y abajo res-pectivamente de las torres de destilación). Todos estos símbolos tienen una apariencia física a los equipos que representan y van acompañados de su descripción. Todos los equipos están interconectados entre sí mediante líneas con flechas para indicar la dirección del proceso y representan en-tradas y salidas a los equipos.

Diagrama de flujo para la obtención de dimetiléter, metanol y etanol a partir de gas de síntesis

Gas de síntesis CO + 3H2

Separador

Dimetileter

Calentador

Compresor

Etanol

Reactor

Torre de platos

Metanol

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El gas de síntesis antes de entrar en el reactor sufre un precalentamiento para aumentar la temperatura y estar en óptimo estado para que se lleve a cabo con mayor rendimiento o conversión la reacción de síntesis del dimetiléter, el metanol y el etanol. Después de la reacción se produce una separación del gas de síntesis que no ha reaccionado, de los tres productos de la reacción, recirculándose el gas de síntesis que no ha reaccionado y se vuelve a mezclar con el que se alimenta al proceso. Los tres productos sufren separaciones en dos torres de destilación, en la primera se separa el dimetiléter (menos denso o menos pesado) que sale por la parte superior de la torre como un primer producto, del metanol y etanol, que salen por la zona inferior. En la segunda torre, se separan los dos últimos productos, el metanol del etanol, siendo el primero menos denso y saliendo por la zona superior de la torre de destilación de platos, y el segundo por la zona inferior.

3. Interpretación de esquemas y diagramas de flujo

Para la interpretación de los esquemas y diagramas de flujo, al igual que en la mayoría de diagramas, no existe un criterio o normas estándar aceptadas por todas las empresas o ingenierías, sino que cada una de ellas suele utilizar su propia simbología y sus propios criterios para elaborarlos.

Aún así, se van a indicar una serie de directrices generales y nomenclatura con los que se podrán interpretar adecuadamente, ya que existen símbolos normalizados.

3.1. Nomenclatura. Símbolos e identificación de instrumentación, lazos de control, elementos, equipos, máquinas e instalaciones

En los diagramas de flujo como por ejemplo, el diagrama de flujo de proce-so, el diagrama de proceso e instrumentación (P&I), o el diagrama mecánico, aparece una nomenclatura y una simbología sobre cómo hay que representarlos.


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Nomenclatura y simbología de equipos y corrientes en los diagramas de flujo

Como se ha comentado en los diagramas de flujo esquemáticos, los equi-pos de proceso se representan mediante símbolos que identifican operaciones básicas unitarias específicas.

Nota

Hay que destacar que tanto la nomenclatura como los símbolos (aunque están estandari-zados y haya varias normas internacionales) son utilizados en cada empresa e ingeniería según sus fines, aunque siempre siendo muy parecidos a los normalizados.

Simbología empleada para la elaboración de diagramas de flujo

Corriente de entrada

Corriente de salida

Válvula

Intercambiadores de calorColumnas de destilación,

absorción...Válvula manual

Válvula de control

Identificacor de corrientes (flujos)

Identificador de elementos de

instrumentación

Horno Depósitos

Tanques de almacenamiento

Reactores Bombas, turbinas, compresores

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Normalmente estos símbolos en los diagramas de flujo de proceso van acompañados de una nomenclatura que es variada dependiendo de la empresa o ingeniería. Un criterio bastante utilizado es el siguiente:

Formato general XX-YYZZ A/B

Donde:

XX es la letra o las letras de identificación de los equipos en inglés, por lo que no tiene por qué coincidir con el castellano, es decir:

C – Compresor o turbina.E – Intercambiador de calor.H – Horno.P – Bomba.R – Reactor.T – Torre o columna.TK – Tanque de almacenamiento. V – Depósito.

YY designa el número o los números con que se nombra un área o una uni-dad dentro de la planta.

ZZ es el número de designación correlativo para cada elemento dentro de una misma clase de equipos.

A/B identifica la posible presencia de equipos redundantes.

Ejemplo: si se quiere identificar en un diagrama de flujo de procesos la bomba P-1207A/B se debe tener en cuenta lo siguiente:

■ La P indica que el equipo es una bomba (P = Pump, bomba en inglés). ■ El 12 indica que la bomba se encuentra situada en el área 1 y la unidad 2 (dentro del área 1) de la planta.

■ El 07 indica que esta bomba es la número 7 de las bombas existentes en la planta. Si el código terminase en 00, sería un equipo principal,


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como por ejemplo, el R-1200, que podría ser el reactor principal del área 1 y la unidad 2.

■ El A/B indica que existen dos bombas idénticas que hacen la misma función en la planta, es decir, que están instaladas en paralelo. Por tan-to, una es la P-1207A y la otra P-1207B. Por ejemplo, puede estar una en funcionamiento mientras que la otra esté fuera de servicio.

La designación del área 1200 es arbitraria. Para cada proceso o planta completa la designación de los números de área es diferente. Por ejemplo, el equipo TK-56001, puede corresponder al área 56 de una determinada planta. Esto tiene como ventaja que de una forma muy rápida se puede identificar en qué zona de una planta se encuentra cada equipo.

En muchas ocasiones se producen modificaciones en el proceso que su-ponen eliminar y/o cambiar equipos. En caso de sustituir un equipo que va a realizar la misma tarea, lo habitual es mantener el mismo número de identifi-cación, aunque en algunos casos se puede añadir alguna letra para señalar que se trata de un equipo nuevo. Pero si los nuevos equipos realizan tareas dife-rentes o se modifica el esquema de proceso se debe asignar nuevos números.

Otro formato de identificación de equipos podría ser, por ejemplo, el YY-XX-ZZ A/B, que para el caso anterior sería 12-P-07 A/B.

Las corrientes de proceso quedan identificadas por un número situado den-tro de un cuadrado encima de cada línea de flujo. El sentido de las corrientes queda definido por una o más flechas. Los números sirven para identificarlas en el diagrama de flujo de proceso.

Nomenclatura empleada para la identificación de un tanque de almacenamiento

TK - 101

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También se identifican las corrientes auxiliares. Estas corresponden a los suministros eléctricos, aire comprimido, agua de refrigeración, vapor, etc., que son indispensables para el funcionamiento de la planta pero que no forman parte de las conducciones principales del proceso.

En la tabla adjunta se muestra una lista de los servicios auxiliares más frecuentes empleados en la industria química, así como la nomenclatura em-pleada para su identificación.

Simbología empleada para la identificación de la corriente de flujo número 4

Identificador de corrientes (flujos)

4 4

Nota

En cualquier caso, siempre resultará imprescindible incluir en los diagramas una leyenda en la que se identifique claramente esta terminología, que puede variar ligeramente para empresas diferentes.

lps - Vapor de baja presión: 3-5 bar (sat).mps - Vapor de media presión: 10-15 bar (sat).hps - Vapor de alta presión: 40-50 bar (sat).htm - Fluido térmico: hasta 400 ºC.cw - Agua de enfriamiento procedente de torres de refrigeración a 30 ºC, retorna a menos de 45 ªC.wr - Agua de río: desde río a 25 ºC, retorna a memos de 35 ºC.rw - Agua de refrigeración: ingresa a 5 ºC, retorna a menos de 15 ºC.rb - Salmuera refrigerada: ingresa a -45 ºC, retorna a menos de 0 ºC.cs - Agua residual química con elevada DQO (Demanda Química de Oxígeno).ss - Agua residual sanitaria con elevada DBO (Demanda Biológica de Oxígeno).



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Casi todos los servicios auxiliares están relacionados con aquellos equipos en los que se aporta o retira calor (intercambiadores de calor) del proceso prin-cipal para controlar las temperaturas.

En algunas ocasiones, en las corrientes, y acompañando al número o código que las representan, se incluyen unas etiquetas o símbolos que en función de la forma que tengan simbolizan una información diferente de la corriente y en su interior tienen un valor numérico.

La forma de cada etiqueta o símbolos identifica el tipo de información al que corresponde el valor numérico incluido en ellas. Estas proporcionan in-formación que permiten analizar problemas de operación durante la fase de producción de la planta. Estas etiquetas deben estar claramente conectadas a la corriente a la que hacen referencia. Son los que aparecen en las siguientes imágenes.

el - Calefacción eléctrica (especificar servicio de 220, 440, 660 V).ng - Gas natural.fg - Gas combustible.fo - Aceite combustible.fw - Agua contra incendios.


Ejemplo de etiquetas de especificación de corrientes

217Caudal molar en lbmols/hr

510Temperatura en ºF

Ejemplo de etiquetas de especificación de corrientes en una corriente de un proceso

57433

4

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Nomenclatura, simbología e identificación de la instrumentación y los lazos de control

Con este apartado se pretende entender el significado de la nomenclatura (código de identificación) y simbología de los instrumentos, lazos de control y sistemas de instrumentación utilizados para la medición y control en los diagra-mas de proceso e instrumentación (P&I), además de los diagramas mecánicos.

Símbolos para las etiquetas de especificación de corrientes

Identificador de corriente

Temperatura

Presión

Caudal volumétrico de líquido

Caudal volumétrico de gas

Caudal molar

Caudal másico

Definición

InstrumentaciónEs una especialidad referente a los instrumentos de medición utilizados industrialmente, y forma parte primordial dentro de un sistema enfocado al control de un proceso industrial.



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Los métodos de identificación y simbolismos se aplican a toda la instru-mentación de control y medición de procesos.

Se debe señalar que todas las líneas de instrumentación deben ser más delgadas que las líneas de las tuberías de proceso.

En función de las variables de los procesos hay multitud de instrumentos, de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad, viscosidad, posición, velocidad, pH, frecuencia, fuerza, turbidez, etc. Todas estas denominaciones también son variables de un proceso, como por ejemplo, la temperatura, la presión, etc.

Para un mejor entendimiento de la instrumentación es conveniente conocer algunos conceptos que se van a ir comentando a lo largo de este epígrafe.

InstrumentoEs un dispositivo o conjunto de dispositivos empleados directa o indirectamente para medir, detectar, indicar, registrar, transmitir y/o controlar una variable.

Lazo de controlConjunto de dos o más instrumentos o funciones de control relacionadas con el propósito de medir y/o controlar una o más variables de un proceso.


AlarmaEs un dispositivo cuya función es la de llamar la atención, señalando la existencia de una condición anormal de operación, a través de medios audibles y/o visible.

Controlador

Es un dispositivo que recibe la señal correspondiente a la variable medida, y calcula la acción de control con que haya sido programado. Este cálculo se traduce en un valor determinado de la señal de salida que se envía hacia un elemento final de control, para modificar a través de dicho elemento una determinada variable de proceso y mantenerla controlada.


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La norma ISA (Instrument Society of America) establece los patrones o estándares de la instrumentación en la industria. La norma ANSI/ISA S5.1 utiliza los códigos de símbolos e identificación como lenguaje universal para la instrumentación de los procesos químicos. Normalmente las empresas utilizan las normas ISA que se aplican a cualquier proceso químico como base para luego añadir sus propias modificaciones en función de sus necesidades.

Esta simbología aparecerá en determinados diagramas de flujo como el diagrama de proceso e instrumentación (P&I) y el diagrama mecánico, como se verá más adelante, y donde se representa normalmente dentro de círculos toda la información de proceso que puede ser medida en la planta química.

ConvertidorEs un dispositivo que recibe información en alguna forma de señal y transmite una señal de salida en otra forma. También se le llama transductor.

Elemento final de control o actuador

Dispositivo que manipula la variable de proceso de acuerdo con la acción calculada por el controlador. El más utilizado es la válvula de control.

Elemento primarioParte o elemento de un instrumento o un lazo de control que detecta primeramente el valor de una variable en un proceso. El elemento primario también es conocido como detector o sensor.

IndicadorSeñala visualmente el valor actual de diferentes variables como la temperatura, la presión, el caudal, etc.

Interruptor Dispositivo cuya función es la de conectar o desconectar uno o más circuitos.

RegistradorImprime en un gráfico continuo la curva de valores de distintas variables a lo largo del tiempo.

SeñalInformación acerca de una variable que puede ser transmitida de un componente de un circuito de instrumentación a otro.

Transmisor

Dispositivo cuya función es la de captar la medida de la variable de proceso (presión, flujo o temperatura) a través de un elemento primario, convirtiéndola en una señal eléctrica, neumática o digital para ser transmitida a distancia y que pueda ser entendida por un controlador, un registrador u otro dispositivo. El elemento primario puede o no ser integral al transmisor.

Variable del proceso

Cualquier propiedad variable de un proceso como la temperatura, la presión, el caudal, etc.



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Esto incluye la información que se va a registrar y la que se va a utilizar para el control del proceso.

Los criterios principales para la identificación de los instrumentos de me-dición y control son:

1. Ubicación de cada elemento:

� Si está situado en la planta o en campo, es decir, cerca de la variable del proceso a medir, o que actúa directamente sobre el proceso, se representará como un círculo.

� Si está situado en un lugar primario accesible, como por ejemplo, el panel de control principal, se representará mediante un círculo dividido por la mitad.

� Si está situado en un lugar inaccesible, como por ejemplo, la parte trasera del panel de control, se representará mediante un círculo dividido por la mitad, pero esta línea es discontinua.

� Si está situado en un lugar auxiliar accesible, la división del círculo estará formada por dos líneas.

Símbolos para un instrumento situado en diferentes ubicaciones

Nota

La ubicación de estos círculos en los diagramas indica dónde se obtiene la información del proceso e identifican las medidas que se realizan y cómo se trata la información.

104 |


� En algunas ocasiones estos círculos aparecen en el interior de cua-drados, lo que simboliza que un instrumento comparte un display o un control, otras veces, aparece un hexágono para designar funcio-nes de computadora, y otras, aparece un rombo dentro de un cua-drado para representar controles lógicos programables (PLC). Para estos, también se tendrá en cuenta si no existe línea divisoria por la mitad, o si es simple, discontinua o doble, para ubicarlos en planta, un lugar primario accesible, un lugar inaccesible, o un lugar auxiliar accesible, respectivamente.

2. Líneas de interconexión: los instrumentos están conectados al proceso y entre ellos. Para esto, la norma define varios tipos de líneas a utilizar en función de las señales de transmisión de información de la instru-mentación. Para evitar confusión con las líneas del proceso, estas líneas deben ser más delgadas que las conducciones de fluido del proceso, y cada tipo se representa de una forma característica.

Símbolos para un instrumento con control compartido, funciones de computadora o PLC

Representación de las líneas de transmisión de información en instrumentación

Conexión del proceso

Señal eléctrica

Señal neumática

Tubo capilar

Señal hidraúlica

Señal sin hilo


| 105

Cuando el instrumento se coloque en una corriente de fluido o en un equipo, saldrá desde estos una línea de trazo continuo fino hasta el símbolo del instrumento.

Por otro lado, se suelen utilizar las siguientes abreviaturas para represen-tar el tipo de alimentación o suministro de energía a los instrumentos:

3. Identificación de instrumentos: para ello, es necesario conocer el signi-ficado de la combinación de letras y números con los que se describe un instrumento, y que se encuentran situados en el interior de los círculos que se acaban de comentar:

� A cada instrumento que se quiere identificar se le designa por un có-digo alfanumérico o número de identificación formado por tres letras (XYY) que se denomina identificación funcional, y uno o varios núme-ros que representan el número de lazo de control o bucle de control en el que se encuentra el instrumento dentro de la planta o proceso:

Representación de conexión de un instrumento a una línea de fluido

TI 4

AS: alimentación de aire.

ES: alimentación eléctrica.

GS: alimentación de gas.

HS: alimentación hidráulica.

NS: alimentación de nitrógeno.

SS: alimentación de vapor.

WS: alimentación de agua.

106 |


Ejemplo: TIC-302Donde:TIC es la identificación funcional.302 es el número de lazo de control.Se debe aclarar que el número de lazo es el 302, pero la identifi-cación de lazo es T-302, ya que la identificación del lazo consiste en la primera letra (variable a controlar) y un número. Todos los ins-trumentos de este lazo se caracterizan por tener esta identificación.

� El número del instrumento, además del lazo de control, también puede incluir información sobre su ubicación o código de área. Ejemplo: TIC-302 es el lazo de control número 2 y está en el área 300 de la planta.

� En la identificación funcional del instrumento, la primera letra (X) designa la variable medida o controlada y las letras sucesivas (YY) describen las funciones del instrumento. El significado de estas le-tras se puede apreciar en la tabla siguiente.Ejemplo: TIC-302T de Temperatura, que es la variable a medir por este instrumento.IC de Indicador Controlador, que es la función del instrumento.

� El significado de las letras de identificación de los instrumentos, es decir, la identificación funcional, según la ISA es:

PRIMERA LETRA (X) LETRAS SUCESIVAS (Y)

Variable medida Letra modificante

Función de lectura pasiva

Función de salida

Letra modificante

A Análisis Alarma

B Llama, arder, combustión

C Conductividad Control

D Densidad Diferencial

E Voltaje o tensión Elemento primario

F Caudal Relación



| 107

PRIMERA LETRA (X) LETRAS SUCESIVAS (Y)

Variable medidaLetra modificante

Función de lectura pasiva

Función de salida

Letra modificante

G Visor, mirilla

H Medición manual Alto

I Intensidad de corriente Indicación

J PotenciaExplorador, muestreo

K TiempoRazón de cambio de tiempo

Puesto o estación de control

L Nivel Luz piloto Ligero o bajo

M Humedad MomentáneoMedio o intermedio

O Orificio

P Presión o vacío Punto de prueba

q CantidadIntegración o totalizar

R RadiaciónRegistro o impresión

S Velocidad o frecuencia SeguridadInterruptor, conmutador

T Temperatura Transmisión

U Multivariable Multifunción Multifunción Multifunción

V Vibración, viscosidad Válvula

W Peso, fuerza Vaina

YConvertidor, relé, calculador

Z PosiciónAccionamiento o actuador


108 |


� Cuando hay más de un instrumento con la misma identificación funcional en un mismo lazo de control se le suele añadir un sufijo, es decir, una letra más. Ejemplo: FT-302A, FT-302B. En este ejemplo existen dos transmi-sores de caudal separados que envían información a un controlador registrador de caudal (FRC-302).

� Las letras que no se utilizan, es decir, las que están libres en la tabla anterior, sirven para cubrir designaciones no normalizadas que aparecen repetidamente en los diagramas, y su significado debe in-cluirse en una leyenda. La letra X, se emplea en designaciones no indicadas en la tabla que se utilice en pocas ocasiones. Se puede emplear como primera letra o como segunda letra y el significado suele estar en el exterior del círculo del instrumento. Ejemplo: un registro de esfuerzo se puede codificar como XR-2.

� La letra I de indicación, como letra sucesiva se refiere a la lectura de una medida real del proceso. Ejemplo: TI es un indicador de temperatura.

� Los instrumentos que realizan dos o más funciones. Por ejemplo, FY-4 y FV-4, se puede designar FY-4/FV-4.

� Se puede emplear la letra U como multivariable o multifunción en lugar de una combinación de otras letras. Por ejemplo, un registra-dor de presión PR-2 y uno de caudal FR-2, que se encuentran en el mismo instrumento, se puede designar por UR-2 en vez de PR-2/FR-2.

4. Símbolos del proceso: la norma ISA-S5.1 especifica símbolos de ele-mentos primarios y elementos finales para diferentes tipos de procesos.


| 109

Simbología de algunos elementos finales de control según la normativa ANSI/ISA S5.1

Válvula de control diafragma ws Falla de aire abre (fo)

Falla de aire cierra (fc)

Empuja para cerrar Falla de aire abre

Empuja para abrir Falla de aire cierra

Válvula de mariposa Falla de aire abre (fo)

Falla de aire cierra (fc)

Empuja para abrir Falla de aire cierra

Empuja para cerrar Falla de aire abre

Tres vias Desviación hacia

abajo

Tres vías Desviación directa

Bola SolenoideSolenoide alternada

110 |


Interpretación de un lazo de control

Para que los procesos químicos se lleven a cabo adecuadamente, obtenien-do el producto deseado, es conveniente controlar las operaciones físicas y quí-micas que se producen, y para ello, es necesario utilizar sistemas de control. Cualquier planta de proceso tiene múltiples y diferentes sistemas de control. Además, para comprender los diagramas de flujo que utilizan lazos de control es conveniente entender cuál es su funcionamiento, aunque sea de forma bá-sica. Hasta ahora se ha comentado la forma de identificarlos, pero no cómo se interpreta su funcionamiento.

Un lazo de control se compone de varios dispositivos: un elemento prima-rio, un transmisor, un controlador y un elemento final de control, todos ellos definidos anteriormente.

Recuerde

TIC-302 es la identificación del instrumento.T-103 es la identificación del lazo de control.103 es el número de lazo de control.TIC es la identificación funcional.T es la variable a medir y la primera letra de la tabla.IC es la función del instrumento y las letras sucesivas de la tabla.

Definición

Sistema de controlEs el conjunto de dispositivos que actúan juntos para lograr un objetivo de control o un funcionamiento predeterminado.


| 111

Hay muchos tipos de funcionamiento de lazos de control o sistemas de control. A continuación se va a comentar el funcionamiento característico de un lazo típico y muy utilizado.

La variable a controlar es el parámetro que se desea verificar hasta el valor deseado o de referencia (set point). El elemento primario, por ejemplo, un sen-sor, mide el valor de la variable a controlar, y el transmisor cambia este valor en una señal normalizada que puede ser transmitida y la envía a distancia. Esta señal puede ser recibida por distintos elementos en función de los ins-trumentos en el sistema como registrador, indicador, controlador, activador de alarmas o enclavamiento. Si la señal la recibe un controlador se compara con el set point o punto de consigna, y la diferencia, es decir, la desviación, sirve para que el elemento final de control, que normalmente es una válvula, actúe para ajustar el valor de la variable manipulada. Este ajuste hace que el valor de la variable controlada se dirija hacia el valor de referencia.

Proceso típico de lazo de control cerrado

Variable manipulada

TransmisorControlador

Variable controlada

Set point

Entrada

Variable medida

Salida

Registrador

Proceso

Elemento final de control Sensor

IndicadorAlarmasEnclavamientos

112 |


En la mayoría de los procesos químicos el elemento final de control es una válvula. Esto quiere decir que toda la estrategia de control está basada en el efecto que tiene en determinadas variables de proceso el cambio en el caudal de alguna corriente. La clave para entender la lógica del control es identificar qué caudal se está manipulando para registrar una determinada variable. Una vez hecho esto es relativamente sencillo ver en qué sentido debe cambiar la apertura o cierre de una válvula para producir el cambio deseado en la variable que se quiere controlar.

3.2. Aplicaciones prácticas sobre instrumentos


Efectúe la identificación funcional de los siguientes instrumentos: FC, FIC, PCV, PT, TE, TDT, FIG, FS, HV.

Ubicación de los instrumentos en una planta química

NivelIndicadores Indicadores

CaudalReceptores Elementos

finales de control

Convertidor

Presión

CAMPO O PANEL

Vía de comunicaciones Alternativa electrónica Alternativa neumática

CAMPO

Convertidores o instrumentos auxiliares Integrador Sumador Multiplicador - divisor

Elementos primarios Transmisores

Otras variables

Controladores

CAMPO

Temp.

Registradores Registradores

PT

LT

TT

FT

LIC LRC

I/P

LRLI


| 113

Solución

� FC: controlador de caudal. Controla en un lazo de control el valor de la variable caudal.

� FIC: indicador controlador de caudal. Señala y controla el valor de la variable caudal.

� PCV: válvula de control de presión. Se regula (autorregulable) con una señal desde un controlador para controlar la variable presión.

� PT: transmisor de presión. Transmite la presión desde el proceso. � TE: elemento primario de temperatura. Toma la lectura de la variable temperatura, como puede ser un sensor de temperatura.

� TDT: transmisor de temperatura diferencial, es decir, transmite una diferencia de temperatura desde el proceso (en este caso, D es la letra modificante de la variable medida, la temperatura).

� FIG: indicador de caudal con visor. Permite visualizar el caudal me-diante un visor, por ejemplo, de vidrio.

� FS: interruptor de caudal. Elemento que permite cambiar de caudal. � HV: válvula manual. En funcionamiento on/off.


En el siguiente esquema se tiene una parte de un diagrama con instru-mentos para controlar el nivel de un depósito. ¿Se trata de un lazo de control? Razone la respuesta. ¿Qué instrumentos tiene y cuál es el significado de cada uno de ellos? En caso de ser un lazo de control, ¿cómo funciona?

Lazo de control para controlar el nivel de un depósito

Depósito

LT 2

LIC 2

LV 2

114 |


Solución

Sí, se trata de un lazo de control porque todos los instrumentos están unidos para controlar una variable que es el nivel, y además tienen el mis-mo número de lazo, el 2.

El lazo está formado por un LT (transmisor de nivel), un LIC (indicador controlador de nivel), una LV (válvula de control de nivel) y están conecta-dos por una señal neumática.

El mismo transmisor realiza la medida del nivel detectando el que tiene el tanque y actúa como elemento primario. Este transmisor envía al controlador el valor del nivel del tanque, que a su vez lo indica en el panel de control principal, ya que se trata de un círculo dividido por una línea continua. El controlador compara la señal con el set point o punto de consigna, y con la diferencia envía una señal al elemento final de control que es la válvula de control para abrirla o cerrarla en función de si el nivel del depósito es mayor o menor que el consignado. El transmisor de nivel y la válvula de control de nivel están en planta, ya que están dentro de un círculo sin dividir por ninguna línea.

4. Tipos de planos y diagramas

Para desempeñar adecuadamente el trabajo en esta actividad es conve-niente saber interpretar los distintos tipos de diagramas y planos del proce-so, donde se puede distinguir fundamentalmente los diagramas de flujo, los diagramas de proceso e instrumentación (P&I), los diagramas mecánico, los diagramas isométricos y los planos de tuberías.

4.1. Diagramas de flujo. Diagramas P&I. Diagramas mecánicos. Diagramas isométricos

Existen varios tipos de diagramas para representar procesos de instalacio-nes de fluidos en plantas químicas. Estos diagramas son los que se describen a continuación.


| 115

Diagramas de flujo

Como se ha comentado anteriormente existen varios tipos. Se ha estudia-do cómo se interpretan y qué información aportan los diagramas de entrada-salida, de bloques y de flujo esquemático. El más característico e importante por la información que aporta es el diagrama de flujo de proceso, que es el documento gráfico de referencia para la descripción de un proceso.

El diagrama de flujo de proceso también está compuesto por símbolos de los equipos y las corrientes más importantes del proceso, aunque se trata de un diagrama con más información y más complejo que el diagrama de bloque o el de flujo esquematizado, ya que contiene datos esenciales para el buen funcionamiento y mantenimiento de la planta.

Este diagrama es el documento que mejor describe una instalación y se em-plea en la formación de operadores y nuevos ingenieros, convirtiéndose en una herramienta de consulta habitual para diagnosticar los problemas de operación que puedan surgir, y predecir los efectos que sobre el proceso puede tener la modificación de determinadas variables.

Los diagramas de flujo de proceso presentan las siguientes características:

■ Los equipos aparecen representados con su símbolo acompañados de su código. Los códigos de los equipos con sus descripciones se listarán en la parte superior o en la inferior del diagrama, lo más cerca posible de su equipo. Se representan los equipos que identifican operaciones unitarias específicas, los que se utilizan para mover el material, los que se em-

Nota

Integra el grueso de los datos que permiten el diseño de un proceso químico y muestra los balances de materia y energía en todas las unidades de proceso.

116 |


plean para calentar o enfriar, o los servicios auxiliares que afectan a los equipos principales. Todos estos equipos tendrán especificaciones resu-midas en tablas anexas al diagrama u hojas de características de equipos.

■ La información necesaria para elaborar los resúmenes de especificacio-nes de equipos para la mayoría de las operaciones unitarias que apare-cen en los diagramas de flujo de las plantas químicas se indica en la siguiente tabla:

■ Las corrientes del proceso que se representan mediante líneas con fle-cha, conectan los equipos del proceso y representan entradas y salidas. Estas corrientes normalmente aparecen numeradas y con etiquetas de especificación de corriente o símbolos para las corrientes. Siempre que sea posible, entran por la izquierda y salen por la derecha. Las corrientes

Tipo de equipo Descripción del equipo

Torres y columnas

Tamaño (diámetro y altura), presión y temperatura.Número y tipo de platos, o altura y tipo de relleno, dependiendo si es una torre de platos o de relleno.Materiales de construcción.

Intercambiadores de calor

Tipo: Gas-Gas, Gas-Líquido, Líquido-Líquido, Condensador, Vaporizador.Especificaciones de proceso: calor intercambiado, superficie, temperatura y presión de las corrientes.Número de pasos por carcasa y tubos.Materiales de construcción: carcasa y tubos.

Tanques, depósitos y recipientes

Altura, diámetro, orientación, presión, temperatura y materiales de construcción.

BombasCaudal, presión de descarga, temperatura, diferencia de presiones, tipo de accionamiento, potencia en el eje, materiales de construcción.

CompresoresCaudal volumétrico de entrada, temperatura, presión, tipo de accionamiento, potencia en el eje, materiales de construcción.

Hornos, quemadoresTipo, presión en los tubos, temperatura en los tubos, calor intercambiado, combustible, materiales de construcción.

Otros Se debe proporcionar toda la información que sea crítica para el proceso.


| 117

representan las principales tuberías, el sentido del flujo y las principales válvulas y accesorios.

■ Para cada una de estas corrientes identificadas, estos diagramas tam-bién incluyen sus diferentes condiciones de operación o especificacio-nes, es decir, los caudales, composición, temperatura y presión. Estas operaciones se indican en un cuadro u hoja de datos con los valores mínimos, normales y máximos de caudales, composición, temperaturas y presión de cada línea de conducción de fluidos. Algunos cuadros con información de corrientes pueden aportar la siguiente información:

Información de las corrientes

Información esencial

Número de la corriente.Temperatura (ºC).Presión (bar).Fracción de vapor.Caudal másico total (Kg/h).Caudal molar total (Kmol/h).Caudal molar individual para cada componente (Kmol/h).

Información opcional

Fracciones molares de los componentes.Fracciones másicas de los componentes.Caudal individual de cada componente (Kg/h).Caudal volumétrico (m3/h).Propiedades físicas importantes: densidad, viscosidad, etc.Datos termodinámicos: calor específico, entalpía, etc.Nombre de la corriente.

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■ En el caso de diagramas de flujo pequeños que contienen pocas ope-raciones unitarias o equipos, sus especificaciones se pueden mostrar directamente en el diagrama, al lado de cada corriente. Sin embargo, para los diagramas más complejos, que es lo habitual, se incluye el nú-mero de identificación para cada corriente que servirá como referencia para entrar en una tabla anexa, resumen de corrientes con sus especi-ficaciones.

■ Además, se representan las principales corrientes auxiliares y de servi-cio que se suministran a los equipos principales o que intervienen en el proceso pero que no se obtienen productos a partir de ellos, como por ejemplo, los fluidos de refrigeración o de calentamiento que se necesita para enfriar o calentar.

■ Estos diagramas también contienen los principales lazos de control, ins-trumentos y válvulas que afectan a la operación del sistema para que se pueda observar la estrategia de control empleada para operar la planta.

■ En estos diagramas, también se incluyen las interconexiones con otros sistemas y las líneas de recirculación y bypass más importantes.

Ejemplo de una pequeña parte de un diagrama de flujo de proceso

Desde bomba P-102

1

2

3 4

Desde bomba P-301

FV-3-3020

FV-3-3021Mezclador

M-05A reactor

R-400

Modo ParámetrosPuntos

1 2 3 4

Normal

Presión MPa

Temp. ºC

Caudal m3/h

Máximo

Presión MPa

Temp. ºC

Caudal m3/h

Mínimo

Presión MPa

Temp. ºC

Caudal m3/h


| 119

A menudo se requieren tamaños de papel muy grandes para disponer de toda la información de un proceso completo, y en otras ocasiones puesto que no caben todos los datos en la hoja del diagrama de flujo de proceso, se adjun-tan hojas con los datos de los balances de materia y energía y con las caracte-rísticas de los equipos.

Recuerde

Los diagramas de flujo de proceso aportan la siguiente información: balance de materia y de energía, información detallada de los caudales, composición y condiciones de operación en cada corriente (presión y temperatura), los principales lazos de control, y las especifi-caciones de los equipos principales del proceso.

Ejemplo de un diagrama de flujo de proceso

V-101

2

E-101

C-101 A/B

AireP-101 A/B

Tolueno

Gas combustible

hps

cw

cw

cw

lps

mps

3 Gas combustible

1

Hidrógeno Benceno

Productos de la combustión

4

5

8

18R-101

H-101

612

E-102 E-105

E-104

710

13

E-103

T-101

16

V-104

E-106

P-102 A/B

11

17

14

15

19

V-103

9

120 |


Diagramas P&I

En los diagramas P&I, también llamados de proceso e instrumentación, se muestran todos los instrumentos utilizados para el control de una planta química, y por tanto, permite entender cómo se efectúa el control, qué tipos de compo-nentes se emplean y dónde están localizados. Por ello se utilizan para la repre-sentación gráfica de los sistemas de control de procesos en las plantas químicas.

Son diagramas con un grado de detalle pequeño que permiten entender el funcionamiento integrado del proceso y del sistema de control.

En estos diagramas se utilizan símbolos de instrumentación simples, reco-nocidos por todas las empresas e ingenierías dedicadas a esta materia, y en ellos, aparece toda la instrumentación utilizada para el control de la planta química. Además se representan los equipos de proceso, las tuberías, las bom-bas y los elementos auxiliares que aparecen en el diagrama de flujo de proceso.

Todas las plantas químicas tienen un diagrama de este tipo con el que se entiende como se controla el proceso. Es muy útil para los operadores de planta.

Importante

Se utilizan para la formación de operadores de planta, y para la elaboración de los proce-dimientos de puesta en marcha y parada, en los que el sistema no está sujeto al sistema de control instalado para el funcionamiento ordinario de la instalación.


| 121

Este tipo de diagramas se caracteriza por:

■ Ser la representación del diagrama de flujo de procesos a la que se le añade toda la instrumentación de la planta. Contienen básicamente los equipos de proceso, las tuberías, los instrumentos y las estrategias de control de proceso. Cuando se habla de instrumentos se incluyen los elementos primarios o sensores y los elementos finales de control, que normalmente son válvulas.

■ Los instrumentos están representados por una etiqueta o identificación y un símbolo como se ha estudiado anteriormente. La etiqueta permite identificarlos y el símbolo, fundamentalmente, permite ubicarlos y de-terminar el tipo de señales empleadas.

■ Los instrumentos pueden estar conectados mediante lazos de control por medio de estas señales. A estas se les pueden agregar flechas para indicar la dirección del flujo de información e incluso se pueden co-nexionar dos instrumentos por más de una línea.

Recuerde

Los diagramas P&I representan todos los instrumentos y lazos de control acoplados a los equipos y tuberías de un diagrama de flujo de proceso.

122 |


Diagramas mecánicos

Este tipo de diagrama también se denomina diagrama de tuberías e ins-trumentación, en ingles piping and instrumentation diagram (P&ID), aunque existe bibliografía que también se refiere a él con el nombre de piping and instrumentation (P&I).

Es la representación gráfica de la secuencia de equipos, tuberías, valvulería, accesorios, e instrumentos que conforman habitualmente una sección de una

Diagrama P&I

Alimentación

Aceite caliente

Refrigerante

Calentador

Torre de destilación

Acumulador

Condensador

Producto 1

Producto 2

FE 3

FT 3

FY 3A

FY 3B

%

TJR 8-1

TJR 8-6

LG 10

LT 2

LIC 2

LT 4

S.P.FE 4

LV 7

TJR 8-4

LIC 7

PT 11

PRC 11

LT 7

L3H/L 9

LAH/L 9

PV 11

TI 9-3

TJR 8-3

TJSH 8-3

TAH 8-3

FRC 4

AT 5

ARC 5

UY 6

ASH/L 5

AAH 5

AAL 5

LV 2

FC

FO

S.P.

FC

f(t)

FO

FC

FRC 1

TI 9-1

TI 9-2

FE 1

FR 3

TJSH 8-2

TJR 8-2

TAH 8-2

FV 1

FT 1


| 123

planta, como puede ser la compresión, la destilación, etc., o una parte de esta sección. Normalmente cada planta requiere de varios diagramas mecánicos.

Por tanto, los diagramas de flujo mecánicos conjuntamente con los diagra-mas de flujo de procesos son suficientes para definir el alcance de un proyecto.

Se utiliza con fines operacionales para la comprensión del proceso en de-talle y del sistema de control de la instrumentación. Se usa también para en-trenar a los operadores de planta y para la puesta en marcha de esta después de las paradas, ya que proporcionan la información necesaria para un control adecuado de toda ella.

Este tipo de diagrama tiene las siguientes características:

■ Se representan los equipos con su símbolo acompañados de su códi-go. Estos códigos se listan en la parte superior o inferior, lo más cerca posible de su equipo. Todos los equipos tienen sus especificaciones en tablas anexas si no aparecen definidas en el diagrama. Los símbolos de los equipos normalmente no son los mismos que en los diagramas de flujo de proceso sino que se utilizan otros más detallados que también están normalizados para este tipo de diagramas.

■ Se dibujan todas las corrientes del proceso y auxiliares mediante líneas con flechas que conectan los equipos del proceso, representan entradas y salidas, e indican el sentido del flujo. Estas corrientes simbolizan to-das las tuberías y en ellas aparecen todas las válvulas y accesorios de estas.

■ Además aportan toda la información referente a instrumentos de medida y control de proceso, y líneas de transmisión de información, tal y como se ha comentado en la interpretación de simbología y nomenclatura de la instrumentación. Esto incluye la información que se va a registrar y la que se va a utilizar para los lazos de control del proceso. La ubicación de estos instrumentos en el diagrama indica dónde se obtiene la infor-mación del proceso e identifican las medidas que se realizan y cómo se trata la información.

■ Puesto que cada planta tiene varios diagramas mecánicos, para conexio-nar unos con otros se utiliza en el origen y el final de las conducciones

124 |


de fluido de cada diagrama una flecha que indique el código del equipo o del diagrama mecánico de origen y destino, respectivamente.

Los diagramas mecánicos de flujo aportan la siguiente información:

Este diagrama contiene cualquier aspecto mecánico con excepción de:

■ Presiones, temperaturas y caudales, que lo aporta el diagrama de flujo de proceso.

■ Localización de los equipos, que lo aporta el diagrama isométrico. ■ Longitud de tuberías y accesorios, que lo aportan los planos de tuberías. ■ Soporte, estructura y fundiciones, que lo pueden aportar los planos iso-métricos de tuberías.

Equipos

Muestra todos los equipos incluyendo las unidades separadas, las unidades en paralelo y el resumen de las especificaciones de cada equipo como por ejemplo:

- Medidas del equipo, presión y temperatura de diseño. - Función de los intercambiadores de calor, numero de pases, medida y tipo

de tubuladura, requerimientos del aislamiento y configuración general. - Detalles de las bombas, compresores y motores.

Tuberías

Incluye todas las líneas de tuberías, los drenajes o purgas y conexiones para la toma de muestras y se especifican los tamaños, espesores (en inglés schedule), materiales de construcción y aislamiento (tipo y espesor).Normalmente las tuberías se enumeran y las especificaciones de cada una de ellas se recogen en una tabla anexa al diagrama.

InstrumentaciónIdentifica todos los instrumentos de medición y control con sus símbolos, y muestra todos los lazos de control.

Corrientes auxiliares

Identifica los puntos de entrada y de salida de los equipos, y los puntos de salida hacia el área de tratamiento de residuos. Se identifica cada tipo de corriente auxiliar con su título descriptivo en su origen y destino, por ejemplo, “rw” es agua de refrigeración a 5 ºC.


| 125

Normalmente a este tipo de diagramas, por la complejidad que tiene, le acompaña siempre una leyenda, también muy compleja, donde se puede apre-ciar la nomenclatura y los símbolos de todos los instrumentos, líneas, válvulas, y la nomenclatura de las tuberías.

Recuerde

Los diagramas mecánicos representan todos los equipos, tuberías, valvulería, accesorios, instrumentos de control y lazos de control, y aportan las especificaciones de todos los equipos y tuberías.

Diagrama de flujo mecánico

E-2 Recalentador

T-1 Despropanizador

P-1A B 8 Bombas

E-1 Condensador

V-1 Acumulador

I2O” ID: 82” -D T-T DES 300-650 ºF

Alimentación

Aceite caliente

Agua fria

Producto 1

Producto 2

Producto 3

T-1 T-2

LC 2

LG2

PI 1

PC 1

V1 - TRIM 7C

T-1 T-1

E-2

IC- 6” IH

2”

2”

2”

6”

6” 6”

36

20

LGLC 1

TPC 1

11C - 8”

5C - 14”

E-1

PE 1

PI 1

PI 1

T1 TRIM 2C

TW 1

PI 1

4C- 20” IH

3C- 16” IH 3C- 6” IH 10”

P-IA B 8

11C - 8”

8C - 11/2”

15A - 2”2C - 2”

11C - 4” 3”

3”12A - 4”

C

C

A

A

10C

- 10”

74” ID: 16” -D T-T DES 300-650 ºF

126 |


Leyenda de un diagrama de flujo mecánico (terminología en inglés)

Instrument Terminology

Measured variable Modifier Read out Device function Modifier

A Analysis Alarm

B Burner, combustion User’s choice User’s choice User’s choice

C User’s choice Control

D User’s choice Differential

E VoltageSensor (Primary element)

F Flow rate Ratio (fration)

G User’s choiceGlass, viewing device

H Hand High

I Electrical current Indication

J Powe Scan

K Time, time scheduleTime rate of chage

Control station

L Level Light Low

M User’s choice MomentaryMiddle, intermediate

N User’s choice User’s choice User’s choice User’s choice User’s choice

O User’s choiceOrifice, restric-tion

P Pressure, vacuum

Pressure, vacuum point, testo connec-tion

Q QuantityIntegrate, totalizer

R Radiation REcord

S Speed, frequency Safety Switch

T Temperature Transmit

U Multivariable Multifunction Multifunction Multifunction

VVibration, mechanical analysis

Valve, damper, louver

W Weight, force Well

X Unclassified X axis Unclassified Unclassified Unclassified

YEvent, state or presence

Y axisRelv, compute, convert

Z Position dimension Z axis Driver, actuator


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Line designation

Area code

Line index key

Line sequence no.

Line size (Inches)

Piping class (As per doc. No SPC-0804.02-50.02)

Insulation code

Insulation thickness (mm)

xxxx - xx - xxx - xx - xxxx - x - xx

Line index key

Code Description

BP BW CO DDW E FG FW G GO

Burning pit blowdown Boiler feed water Carbon dioxide Closed drain / Condensate Demineral water Engine exaust Fuel gass Fire water Process gas Gasoil

Code Description

IA IG LO N OWS SS PW UA V

Instrument air Ignition gas Lube oil Nitrogen Oily waste water Sanitary water Potable water Utility air Vent system (Closed)

Line insulation codes

SC = Sound insulation with vapour barrer WD = Steam - traced WE = Electrical - traced S = Sound insulation W = Warm (hot) insulation N = No insulation

B = Bured piping V = Panting C = Clod insulation CC = Super cold insulation PP = No personnel protection WJ = Steam - jacketed

128 |


Leyenda de un diagrama de flujo mecánico (continuación de la leyenda anterior)

Valves

Gate valve Full bore ball valveReduced bore ball valve

Globe valve

Butterfly valve

Diaphragm valve Check valve Needle valve

Three way plug valve

Angle valve or chock valve

Three way valve

Three way plug valve

Four way valve

Continuous blow down valve

Monoflange type valve Double block

with body bleedHand

control valveStop check non return valve

Slide valve

Intermittent down valve

Rotary valveExcess flow valve

Diverter valve

Control valve

Control valve with handwheel

Full bore ball control valve

Reduced bore ball control valve

Instrument legend

Instrument (local mounted)

Instrument Board mounted - Front board designated “Control panel no”

Instrument - Board mounted - Rear

Instrument - Board mounted - Front - Designated “local panel no”

Instrument - Board mounted - Rear

Instrument - Dual function

Instrument - vendor furnished

Instrument - ExistingTemperature device with well

Pressure device - with chemical or diaphragm seal

Pressure device - with chemical or diaphragm seal

Temperature decive with pad

I PInstrument function designator - Current in

IInterlock with ID no

Instrument - programmable controller

Dual instrument location - Front and pro-grammable controller

Rotometer - Flow indicator


| 129

General abreviations

AG ATM BL DBF DN EL ESD HC ID MAX MCC

Aboveground Atmosphere Battery limit Drilled blind flange Nominal diameter Elevation Emergency shutdown Hose connection Internal diameter Maximum Motor control panel

MFR MIN MMS MOS MW NNF PSD RS SC SD SDV

Manufacturer Minimum Machine monitoring system Maintenance overrride switch Manway Normally no flow Process shut down Ring spacer Sample connection Shutdown Shutdown valve

SI SO SOV TL UC UG US USD V VSD

Special item Steam out Solenoid valve Tangent line Utility connection Underground Utility station Unit shutdown Vent Variable speed drive

Letters at individual valves designate

CSO = Car steal open CSC = Car steal closed GO = Gear operated LC = Locked closed

LO = Locked open NC = Normally closed NO = Normally open P = Plugged

Letters at control valves designate

FC = Closed for air failure FO = Open for air failure

FL = Fail locked (Position no change) TSO = Tight shutoff

Pipe line legend

Major process Minor process and utility Pneumatic signal Capillary tubing Electrical signal Tie - in to existing header or equipment Vendor package Personnel protection Existing line

P P P(PP)

130 |


Diagramas isométricos

El diagrama isométrico muestra la disposición espacial de los equipos a escala y en representación isométrica, es decir, representa un diagrama de flujo esquemático en perspectiva isométrica. También se suele utilizar para la representación de tuberías.

Isométrico significa igual medida, y por tanto, sus ejes se reconocen porque se dibujan dos de ellos a 30º con la horizontal y el tercero es una línea vertical. Estos ejes están ocultos en cualquier dibujo real, y entre dos de ellos hay 120º.

Cuando se representa un dibujo o figura sobre los ejes isométricos y sobre los planos que se forman entre estos ejes se puede apreciar que todas las lí-neas se representan a 30º con la horizontal para la longitud y la profundidad y mediante líneas verticales que representan la altura.

Representación de los tres ejes isométricos

30 º30 º

30 º30 º

Proyección isométrica de un prisma cuadrado

LongitudProfundidad

AB

C

Altura


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Este tipo de diagramas representa un proceso muy poco detallado que lo único que aporta, con respecto al diagrama esquemático, es la situación de los equipos y de las conducciones, y estas últimas, en algunos casos, se represen-tan mediante líneas con flechas.

Especificaciones y representación de tuberías

Las tuberías se han representado mediante líneas denominadas corrientes en la mayoría de los diagramas de flujo que se han estudiado. Pero también existen planos o esquemas donde aparece solamente el trazado de las líneas de tubería.

Parte de un diagrama isométrico

Horno

Ciclón Torre de enfriamiento de gas

Nota

La diferencia entre plano y esquema radica en que el plano está a escala y acotado y el esquema no.

132 |


Se debe saber interpretar estos planos o esquemas, ya que en cualquier planta química se necesita reparar y/o mantener un número importante de tube-rías. Para ello se deben conocer las especificaciones de estas representaciones.

Pero antes de representar las tuberías es conveniente tener en cuenta que normalmente todas las empresas e ingenierías las codifican, aunque cada una de ellas lo realice de una manera diferente. Por tanto, es interesente conocer cómo se realiza esta codificación.

Codificación de tuberías

La codificación de una tubería sirve para poder identificarla rápida-mente y que no haya ningún tipo de confusión. Para codificarlas, cada empresa o ingeniería utiliza su propio sistema que puede ser diferente en un lugar o en otro, aunque todas tienen normalmente estos elementos:

Donde:

A = diámetro nominal de la línea.B = clase de fluido que circula en su interior.C = número de orden de la línea.D = especificación de materiales.

A - B - C - D

Ejemplo

Una línea de 8” de diámetro nominal, para conducir vapor, la quinta en el listado de su clase, y de especificación de materiales A1 (para vapor a baja presión) sería: 8” - ST - 005 - A1.


| 133

Como se ha comentado, esta nomenclatura no es la que se utiliza siempre, y se puede requerir otra forma de identificar las líneas o incluso añadir a esta más datos, como por ejemplo, si es subterránea o no, si tiene aislamiento o no, etc.

Representación de tuberías

Las tuberías se utilizan para la conducción de fluidos en las plantas químicas o en instalaciones industriales.

Los dibujos de tuberías, válvulas y accesorios se representan normal-mente de forma simplificada, de manera que se indique claramente el trayecto de las canalizaciones, la disposición de los elementos y sin definir ningún tipo de detalles constructivos.

Las canalizaciones se pueden simbolizar con una sola línea o con dos líneas, y ambas se pueden representar como proyección ortogonal o como un dibujo isométrico. La doble línea debe tener además un eje o línea en el centro.

Normalmente se utiliza un sistema u otro en función de la complejidad de la instalación, de los distintos tamaños de las conducciones, la función del dibujo, etc.

Para conocer todos los símbolos utilizados en conducciones o tuberías se puede consultar la norma UNE-EN-ISO 1062, y para saber todas las

Representación de parte de una tubería de dos líneas y de una sola línea en proyección ortogonal

Ø 1000

650 650 650

650

4800 4800

3500

3500

3500

134 |


especificaciones en proyección ortogonal o en representación isométrica de tuberías la norma UNE-EN-ISO 6412.

Representación de tuberías en proyección ortogonal

Esta representación, también denominada proyección diédrica de tuberías, es la proyección de varias vistas de las conducciones con sus válvulas y todos sus accesorios a escala. Normalmente se utiliza la proyección sobre el plano horizontal o de planta (vistas por un obser-vador desde arriba) a la que se añaden las vistas, secciones y detalles que se precisen para la definición completa de la red.

Habitualmente representan en el área correspondiente las líneas y equipos, el servicio que realizan, sus dimensiones principales, coor-denadas y cotas.

Representación de tuberías en isométricos

Representan con todo detalle una conducción o parte de ella en el espacio en perspectiva isométrica, con o sin escala.

Representación de parte de un plano de tuberías de doble línea en proyección ortogonal

Codo a 90º

49

56

98 1551

30 61Codo a 90º

TE Válvula de retención

Llave esférica Doble T

Llave exclusa

Entrerosca

Codo a 45º

ReductorCupla

TE a 45º

Tapón

Unión doble

N


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Estas incluyen al menos sus dimensiones, elevación, cambios de dirección, válvulas, accesorios y conexiones, diámetros y especifica-ciones de materiales, temperatura y presión de trabajo, presión de prueba, aislamientos, soportes de tubos e instrumentos.

Se utilizan normalmente para identificar las tuberías de dos o más pulgadas, o de tamaños inferiores de acero aleado unidas mediante bridas.

Nota

En ocasiones se puede mostrar además alguna vista frontal o de planta como representación de detalles necesarios para una completa definición de la línea.

Representación de un esquema de tuberías en isométrico

Depósito

Bomba

Bomba

Válvula abierta Válvula cerrada

136 |


Especificaciones de tuberías

Son las especificaciones con las que se realiza la representación de las tuberías, y por tanto, son necesarias también para saber interpretarlas.

Normalmente, cada empresa o ingeniería tiene su propia especifica-ción, pero se van a indicar cuáles son las especificaciones normalizadas por la UNE-EN-ISO y las que se utilizan normalmente por las empresas o ingenierías.

Especificaciones de tuberías en proyección ortogonal

A continuación, se expresan algunas de las especificaciones de la norma UNE-EN-ISO 6412-1, para tuberías en proyección ortogonal, y después otras especificaciones que normalmente son utilizadas por las empresas e ingenierías.

Especificaciones de la UNE-EN-ISO 6412-1:

1. Las tuberías se representan mediante una línea continua gruesa, y la dirección de flujo mediante una flecha sobre el trazo de la tubería o con una flecha próxima a un símbolo que representa un accesorio.

2. Las curvas pueden dibujarse con una curva o prolongando los tramos rectos hasta su vértice.

Representación de direcciones del flujo en proyección ortogonal

Representación de tramos curvos de tubería en proyección ortogonal


| 137

3. Los cruces sin intersección se representan con forma de cruz, aunque a veces se pueda interrumpir el tramo de la tubería para indicar cuál de ellas pasa por delante y cuál por detrás. Las uniones permanentes, como puede ser mediante soldadu-ra, se representan por un punto.

4. Las reducciones o elementos de cambio de sección se dibujan con un símbolo concreto indicando los diámetros nominales de las reducciones mediante la abreviatura “DN” junto con los diámetros nominales encima de este.

5. Si se dibujan elementos que no son de la instalación de tube-rías se representan con línea fina de trazo con dos puntos. Por ejemplo, un depósito o un tanque de almacenamiento.

6. Las bridas se representan mediante dos círculos concéntricos para verlas de frente, por un círculo para verlas desde atrás o por un trazo si se ven desde el perfil.

Representación de dos tipos de intersecciones y una unión de tubería en proyección ortogonal

Representación de reducción concéntrica de tubería en proyección ortogonal

DN300 / DN150

138 |


7. Existe una serie de símbolos que simbolizan los tipos de vál-vulas y accesorios para su representación, aunque normal-mente la interpretación de estos símbolos viene adjunta al plano de tuberías.

Otras especificaciones utilizadas habitualmente:

1. Los tubos de diámetro nominal menor o igual que 12 pulga-das se dibujan a simple línea y mayor e igual a 14 pulgadas a doble línea.

2. Una escala muy utilizada es la 1:33 o 1/3, aunque en las zo-nas con grandes depósitos o las redes subterráneas se repre-sentan las tuberías con frecuencia a escalas más reducidas.

3. Las líneas de contorno de equipos y los elementos estructu-rales tendrán claramente un espesor menor que las líneas de tubería. No obstante, algunos alzados de elementos estructu-rales pueden requerir la doble línea.

4. No aparecen dimensionadas las válvulas ni los accesorios.5. Se incluyen las coordenadas de posición de los equipos prin-

cipales y las líneas se dimensionan a partir de estas coorde-nadas.

6. El plano de planta incluirá la flecha que indique la dirección norte que se dirigirá hacia arriba o hacia la derecha. Normal-mente se sitúa en el ángulo superior derecho del formato.

7. Las medidas se suelen expresar en milímetros y sin decimales.8. Suelen representarse en planos en tamaño DIN A0 o DIN A1.

Alzado Perfil Vista posterior

Representación de bridas en la representación de tuberías en proyección ortogonal


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Especificaciones de tuberías en isométricos

A continuación se expresan algunas de las especificaciones de la norma UNE-EN-ISO 6412-2, para tuberías en isométrico, y después otras especificaciones que normalmente son utilizadas por las empre-sas e ingenierías.

Especificaciones de la UNE-EN-ISO 6412-2:

1. Se utiliza el mismo sistema de coordenadas que en el sistema isométrico, es decir, las conducciones son paralelas a los ejes isométricos si son horizontales o verticales.

Representación de parte de un plano de tuberías de línea simple en proyección ortogonal

Codo a 90º

49

56

98 1551

30 61Codo a 90º

TE Válvula de retención

Llave esférica Doble T

Llave exclusa

Entrerosca

Codo a 45º

ReductorCupla

TE a 45º

Tapón

Unión dobleTapón macho

N

Ejemplo de dibujo de tramo de tubería en diagrama isométrico

Dirección de flujo

140 |


2. Las desviaciones de las direcciones de los ejes de coordena-das se indicarán mediante planos auxiliares de proyección, que en ocasiones sufren un rallado.

3. Existe una serie de símbolos que representan los tipos de válvulas y accesorios para su representación, aunque normal-mente la interpretación de estos símbolos vienen adjuntos al plano o esquema de tuberías.

Representación de la desviación de dirección de una tubería en los ejes en un diagrama isométrico

Dirección de flujo

h

Representación de algunos símbolos para diagramas de tubería en isométrico

Tubería

Codo Válvula de compuerta

Eje Válvula de globo

Te Válvula de retención

Reducción Válvula de bola

Ampliación Válvula de mariposa

Bomba Válvula de ángulo



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Otras especificaciones utilizadas habitualmente:

1. En cada línea del isométrico debe indicarse con una flecha sobre la propia línea el sentido del flujo y junto a ella el diá-metro nominal de la tubería. Esto se repetirá en cada tramo con distinta dirección de línea. Se incluirán las cotas de re-presentación de los tramos más representativos.

2. La planta incluirá la flecha que indique la dirección norte que se dirigirá hacia arriba y hacia la izquierda o derecha, pero nunca hacia abajo.

3. Las curvas y codos pueden representarse como una elipse, o para simplificar el dibujo prolongando los tramos rectos hasta su vértice.

4. Cada línea representada tienen sus correspondientes cotas, símbolos, accesorios, etc., y se acompaña de una lista de ma-teriales.

5. Se acotarán o dimensionarán todos los accesorios. 6. El volante de las válvulas debe apuntar en la dirección real

del montaje.7. Los soportes de la instalación deben dibujarse e ir acompaña-

dos de su referencia.8. La conexión de distintos instrumentos de medida se represen-

tará indicando su función, con la nomenclatura estudiada en instrumentación.

9. La situación de los equipos se establecerá mediante coorde-nadas.

Representación de algunos símbolos para diagramas de tubería en isométrico

Ventilador Medidor de flujo

Colador tipo “y” Trampa de vapor

Compresor Válvula de alivio


142 |


10. Se incluyen todo tipo de anotaciones complementarias para referenciar todos los elementos que estén fuera de especifica-ciones, así como los accesorios especiales.

11. Se dibujarán en DIN A4 o A3.

4.2. Aplicaciones prácticas sobre diagramas de flujo


Indique qué tipo de diagrama es el siguiente dibujo y qué elementos lo caracteriza.

Representación de parte de un plano de tuberías en isométrico

300 S-33.552

S-27.372

3º-PW-1052-B2A

3º-PW-1050-B2A

3º-PW-1051-B2A

EL-54445

1840

2834 193 EA-111

A1

A1

800

300PG - 1

P5-714P5-716E-11

PG-1

PST-1

400

283

3118

4090

800

EL-55245

22733EW

N


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Solución

Se trata de una pequeña parte de un diagrama de flujo de procesos.

El diagrama se caracteriza porque todos los equipos del proceso están representados por símbolos que están codificados con letras y números. La descripción de cada equipo codificado se encuentra en la parte su-perior del diagrama, lo más cerca posible de su equipo. La codificación se caracteriza porque la letra representa el equipo, por ejemplo, TK es tanque. Además, el número representa el área o unidad en la que se en-cuentra el sistema (todos los equipos tienen como primer número el 1 por lo que están en el mismo área) y el número de designación correlativo para

Representación de parte de un diagrama de flujo

Información de las corrientes

Número de línea 1 2 3 4 5 6 7

Tolueno (kmol/h)

Hidrógeno (kmol/h)

Caudal total molar (Kmol/h)

Caudal másico total (kg/h)

Temperatura (ºC)

Presión (bar)

Caudal de calor total (Kcal/h)

E-101 Enfriador

TK-101 Tanque de

Tolueno

P-101 A/B Bomba de alimentación

Tolueno

E-102 Precalentador

H-101 Horno

Alimentación Tolueno

Alimentación Hidrógeno

Gas combustible Tolueno Recirculado

Hidrogeno Recirculado

1-4

242

LC

FC

FC

DC

A

1

4

53

2

P-101 A/B

TK-101

H-101

15

cw15 25

38

28

32

327

50

230

6

7

240 PC TC

C W

E-101

E-102

O2

Presión (bar) Temperatura (ºC) Número de línea Punto de partida

Leyenda:

144 |


cada elemento (el enfriador y el precalentador son intercambiadores de calor, uno tiene el 101 y el otro el 102, son correlativos). Hay un equipo al que en su codificación se le añade A/B, que es la bomba de alimentación de tolueno, lo que significa que hay dos bombas en paralelo.

Las corrientes del proceso son líneas con flecha que conectan los equi-pos y representan entradas y salidas que van de izquierda a derecha. Estas corrientes están numeradas con un dígito dentro de un cuadrado encima de cada línea de flujo para identificar cada una de ellas. En este diagrama se representan las líneas de la 1 a la 7, y en la tabla inferior, que también es característica para este tipo de procesos, se indican las condiciones de operación de cada línea (caudales, composición, temperatura y presión). También se indican las corrientes auxiliares, como la de gas combustible para abastecer el horno o las dos líneas de agua de enfriamiento proceden-te de torres de refrigeración a 30 ºC para abastecer a los intercambiadores de calor E-101 y E-102, y representado por c.w., que es su nomenclatura. En varias de las corrientes, y conectadas a ellas, también aparecen las etiquetas de la leyenda que aportan los valores numéricos de presión y temperatura a las que trabaja el proceso.

Este diagrama también contiene los principales lazos de control, ins-trumentos y válvulas de control del proceso. Por ejemplo, el control del nivel del tanque con el controlador de nivel (LC) o el control del caudal con el controlador de caudal (FC) a la salida de las bombas P-101 A/B.


Indique qué tipo de diagrama es el siguiente dibujo y qué elementos lo caracteriza.


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Solución

Se trata de un diagrama de flujo mecánico.

El diagrama se caracteriza porque en él aparecen todos los equipos, tuberías, válvulas, accesorios e instrumentos de la secuencia del proceso que representa.

La información que se aporta del equipo (torre de destilación) es am-plia, las dimensiones del equipo (diámetro 54”), el número de plato (25) y algunos otros datos de interés. Además, el equipo se representa algo más detallado que en los diagramas de flujo de proceso, ya que, por ejemplo, en él aparecen las bocas por donde entran y salen los fluidos.

Se señalan todas las corrientes del proceso con flechas que represen-tan entradas y salidas, y el sentido del flujo, pero no están numeradas para aportar datos de operación de estas como en los diagramas de flujo de proceso. Se simboliza la situación de todas las válvulas del proceso, junto con sus accesorios y todas las conducciones de tuberías. Además se indi-

Representación de parte de un diagrama de flujo

1000-A2-2

1000-A2-25

1000-A2-151000-A2-20

PL-113-6”-A2A-OIH

PV-114-8”-A2A-IH

PL-120-4”-A2A-IH PL-121-3”-B2A-IHLV

120

PCV 120

NC

NC

NC

NC

3X2

8X6

3X2

8X6

4’ 6”

4’ 0”

10’ 6”

1000-A2-10

T-120 Torre de destilación

54” ID x 65’ T-T

I P

I P

LY 120

PY 120

PRC 120

PT 120

25T/120

1151

NLI

PI 120

LT 120

LAH 120

LG 120

LIC 120

146 |


ca el tipo de válvula o accesorio (por ejemplo, los reductores de diámetro de tubería, 3x2) y la codificación de cada tubería con la que aporta sus características. A primera vista, por ejemplo para la tubería PV-114-8”-A2A-IH se aprecia que es de vapor (PV), que el número de la tubería es el 114 y que su diámetro es 8”. El resto de datos se deberían buscar en las especificaciones de este diagrama para saber la información que aportan.

También se refleja toda la información referente a instrumentos de medida y los lazos de control del proceso. Su ubicación indica dónde se obtiene la información, las medidas que se toman y cómo se trata esta. Están representados por símbolos codificados con letras y números. Hay dos lazos de control, uno para registrar la presión en la zona superior de la torre y otro para controlar el nivel en la zona inferior de la torre.

El diagrama tiene varios inicios y finales y se indica con ellos de qué líneas de proceso procede y a qué líneas de proceso van dirigidas estas conducciones.

5. Resumen

Para ejecutar operaciones con máquinas, equipos e instalaciones en una planta química, es necesario tener conocimientos sobre la representación grá-fica de los procesos químicos.

Esta representación gráfica se lleva a cabo, en la mayoría de los casos, por diagramas de flujo: de entradas y salida, de bloques, esquemáticos, de proce-so, de proceso e instrumentación (P&I), mecánicos e isométricos. También se pueden representar las tuberías mediante planos o esquemas en proyección ortogonal y en isométrico.

Los diagramas de entradas y salidas solo indican los materiales que entran y salen en el proceso. Los diagramas de bloque y los esquemáticos, además, aportan las principales unidades del proceso y su balance de materia con su conversión. Los diagramas de flujo de proceso aportan todas las unidades de proceso, equipos y líneas auxiliares, balance de materia y energía, informa-ción detallada de los caudales con sus componentes, composición, presión y


| 147

temperatura, los principales lazos de control, y especificaciones de los princi-pales equipos del proceso. Los diagramas de proceso e instrumentación (P&I) representan los equipos, las tuberías y todos los instrumentos acoplados a estos, junto con sus lazos de control. Los diagramas mecánicos simbolizan todos los equipos, tuberías, valvulería, accesorios, instrumentos de control y lazos de control, y aportan las especificaciones de todos los equipos y tuberías. Los diagramas isométricos solamente indican la disposición espacial de los equipos a escala y en representación isométrica, es decir, la ubicación de los equipos y las tuberías. Los planos o esquemas de tuberías representan al me-nos las tuberías, valvulería y accesorios de los procesos, su ubicación, tamaño y trayecto, y concretamente los trazados isométricos, además, especificaciones de materiales, temperatura y presión de trabajo, presión de prueba, aislamien-tos, soportes de tubos e instrumentos.

Para una adecuada interpretación de estos esquemas se debe conocer los símbolos y la nomenclatura de los equipos del proceso, de las corrientes de proceso, de los instrumentos y de los lazos de control.

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| 149

1. Los diagramas de bloques...

a. ... se representan como un grupo de bloques interconexionados por corrientes del proceso.

b. ... tienen cuatro tipos de unidades de procesos: mezcladores, reactores, divisores y separadores.

c. ... proporcionan información sobre el balance de materia del proceso y cuáles son las principales unidades de este.

d. Todas las respuestas anteriores son correctas.

2. Un diagrama simple con los equipos principales, bombas e intercambiadores de ca-lor es:

a. Un diagrama de flujo de bloques.b. Un diagrama de flujo esquemático.c. Un diagrama de flujo P&I.d. Un diagrama de flujo mecánico.

3. En la nomenclatura de un equipo en un diagrama de flujo de proceso...

a. ... la nomenclatura de dos equipos iguales es la misma.b. ... la letra o las letras de identificación de los equipos están en castellano.c. ... un formato típico es XX-YYZZ A/Bd. Todas las respuestas anteriores son correctas.

4. En instrumentación...

a. ... la señal eléctrica viene representada por una línea discontinua.b. ... solamente se utiliza la norma ASME para la representación de los ins-

trumentos.c. ... la identificación funcional del instrumento indica a qué lazo de control

está asociado el instrumento.d. ... la ubicación de los elementos viene identificada siempre por un hexágono.

150 |


5. La identificación funcional de un instrumento TIC significa...

a. ... controlador indicador de tiempo.b. ... controlador indicador de temperatura.c. ... controlador registrador de temperatura.d. ... controlador registrador de tiempo.

6. Un diagrama de flujo donde aparecen los caudales, temperatura y presión de todas las líneas de proceso es:

a. Un diagrama de flujo de proceso.b. Un diagrama de proceso e instrumentación (P&I).c. Un diagrama de flujo mecánico.d. Un diagrama isométrico.

7. Un diagrama de flujo donde aparece toda la instrumentación del proceso, todas las tuberías, valvulería y accesorios, junto con las especificaciones de los equipos y tuberías de todas las líneas de proceso es:


8. Un diagrama de flujo donde aparece la instrumentación sobre los equipos y tuberías y no hay especificaciones de equipos ni de tuberías es:



| 151

9. Un diagrama de flujo donde se representa la disposición espacial de los equipos a escala es:


10. Las tuberías con sus accesorios...

a. ... solo se pueden representar gráficamente en diagramas de flujo.b. ... se pueden representar en diagramas isométricos y en proyección orto-

gonal.c. ... solo se pueden codificar con el método A-B-C-D.d. ... cuando se representan gráficamente nunca van acompañados de sus

especificaciones.

Capítulo 3

Operaciones en los elementos de la planta química

Contenido

1. Introducción2. Tuberías y accesorios3. Válvulas. Introducción a las válvulas4. Resumen

CAP. 3 | Operaciones en los elementos de la planta química

| 155

1. Introducción

Para desempañar operaciones con máquinas, equipos e instalaciones, ya sean de preparación, acondicionamiento, mantenimiento o reparación en una planta química, es imprescindible tener un adecuado conocimiento sobre las tuberías, válvulas y accesorios de las líneas de conexión de las plantas químicas.

Para ello se deben aprender determinados aspectos sobre tuberías, concre-tamente sobre sus características, tipos, nomenclatura, materiales, sistemas de unión, especificaciones y normas, y accesorios.

Y por otro lado, es conveniente adquirir conocimientos sobre las válvulas, sus partes principales, detalles constructivos, clasificación, descripción, es-pecificaciones de pedido, ventajas e inconvenientes, materiales, operación, mantenimiento y manipulación.

2. Tuberías y accesorios

Para el transporte de líquidos, gases y vapores en la industria química exis-ten múltiples y variados tipos de tuberías y accesorios fabricados con un am-plio abanico de materiales con la finalidad de optimizar los procesos químicos.

Pero cuando se utilizan tuberías, también es imprescindible acoplar ac-cesorios en su recorrido, para reducir diámetros, para cambiar el sentido del fluido, etc. Por ello, es fundamental que los accesorios tengan las mismas es-

Definición

TuberíaEs un conducto cuya función es transportar fluidos.

156 |


pecificaciones que las tuberías, o al menos que estas sean mejores para evitar zonas débiles en las conducciones.

Además, cuando aparece el término conducciones, en unas ocasiones se habla de tuberías y en otras de tubos. Realmente no existe una distinción exacta entre ambos términos aunque sí se sabe que las tuberías normalmente tienen pared rugosa y gruesa, están unidas por medio de bridas, soldadura o conexiones roscadas, sus diámetros son relativamente grandes y tienen exten-siones moderados (entre 6 y 12 m de longitud). Los tubos tienen pared fina y lisa, unidos por medio de accesorios, sus diámetros son pequeños, y lo habitual es que se vendan en rollos con longitudes muy grandes.

2.1. Especificación de tuberías

Las tuberías se caracterizan por una serie de especificaciones que las di-ferencian unas de otras. Estas especificaciones dependen fundamentalmente del tipo de tuberías, materiales, dimensiones, uniones y normas.

Características. Tipos. Nomenclatura. Materiales y dimensiones

Para la elección de una tubería, el primer paso es seleccionar el material necesario para conducir el fluido. Esta elección de los materiales se hace de forma que el material sea el idóneo, con buenas propiedades de resistencia mecánica y química, con buenas cualidades ante la corrosión, altas tempera-turas, altas presiones, etc. Pero el problema es que el mejor material a veces es caro, por lo que hay que llegar a un compromiso entre el material elegido para la tubería y su precio.

Para materializar la elección del material se puede recurrir a las normas existentes sobre tuberías, donde se señalan las especificaciones de los mate-riales y en las que además se incluyen las dimensiones normalizadas para cada material. Algunos ejemplos de normas son ASTM, ANSI, EN, etc.

Es importante también comprobar que en el mercado existe la tubería se-leccionada, tanto en material como en tamaño y calidades, ya que si no es así, se debe escoger otra con calidad y/o diámetro superior.


| 157

Tipos de tuberías y materiales

La clasificación de tuberías se realiza en función de su rigidez o flexi-bilidad, y del material en que estén fabricadas. Por tanto, se diferencian cuatro grupos:

A raíz de esta clasificación de tuberías se puede hacer una cataloga-ción de los materiales utilizados para la fabricación de estas:

� Tuberías fabricadas con materiales ferrosos. � Tuberías fabricadas con materiales no ferrosos. � Tuberías fabricadas con materiales no metálicos.

Nota

Ocurre en algunas ocasiones que la tubería seleccionada no tiene dimensiones comerciales de diámetro y espesor para dicho material, por lo que si se requiere su fabricación aumenta el precio exponencialmente, ya que se realizarían de manera individual.

Tuberías rígidas metálicas

Se utilizan materiales de acero al carbono, aleaciones de acero (de cromo, de cromo-níquel, cromo-molibdeno), hierro colado, hierro dulce, fundición, cobre y aleaciones, níquel y aleaciones, plomo, titanio y aleaciones, y aluminio y aleaciones, latón y aleaciones.

Tuberías rígidas no metálicas

Se utilizan materiales de polímero (PVC, polietileno, polipropileno, etc.), fibrocemento, hormigón, carbón y grafito, vidrio y gres.

Tuberías flexibles metálicas

Se utilizan materiales de acero inoxidable o galvanizado.

Tuberías flexibles no metálicas

Se utilizan materiales de caucho y polímeros.

158 |


Materiales ferrosos

Los materiales ferrosos como hierro, acero y sus aleaciones son los más comunes en las tuberías de la industria química y son los materiales que tienen mejores condiciones de resistencia química y mecánica.

Según su método de fabricación se clasifican en:

~ Tuberías sin costura, es decir, sin soldadura lateral. Su fabri-cación se lleva a cabo a partir de un lingote cilíndrico. Este es precalentado antes de pasar por una línea de extrusión, donde se introduce primero por un cilindro y después se le hace un pe-netrado. Son las más usadas y gracias a su homogeneidad, estas tuberías metálicas contienen mejor la presión.

~ Tuberías con costura, es decir, fabricados mediante soldadura. Se fabrican primero láminas metálicas con el espesor futuro de las tuberías. A continuación, se doblan estas láminas dándoles forma de tubería. Los extremos se unen mediante soldadura de tal manera que la chapa quede cerrada con forma de tubería. Esta soldadura, por tanto, es la parte más frágil. La soldadura puede ser longitudinal, es decir, recta a lo largo de todo el tubo, o helicoidal.

Tuberías de acero sin costura


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Materiales no ferrosos

Los materiales metálicos no ferrosos se han utilizado desde siem-pre y con anterioridad a los materiales ferrosos. El inconveniente es que tienen un coste más alto, al que se añade que también presentan menor resistencia física y química. Estos materiales son el cobre, ní-quel, plomo, bronce, latón, aluminio, titanio, etc.

Tuberías de acero con costura helicoidal

Tubos de cobre

Importante

Su selección en determinadas ocasiones es debida a su resistencia particular a determina-dos fluidos y/o condiciones de los procesos, ya que, por ejemplo, tienen buenas propiedades mecánicas a elevadas temperaturas o son muy adecuados para la transferencia de calor.

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Materiales no metálicos

Los materiales no metálicos se pueden dividir en diversos materia-les tal y como se ha indicado anteriormente, pero los más utilizados en la industria química son:

~ Materiales plásticos: normalmente están constituidos por un úni-co polímero o por una mezcla de ellos. Se utilizan mucho para la conducción de fluidos con gran actividad química, pero su in-conveniente es que su resistencia mecánica es baja. Se dividen en dos grupos:

} Polímero único: tuberías de polietileno (PE), de polipropile-no (PP), de polibutileno (PB), de polímeros de vinilo (PVC), de poliolefinas y poliésteres.

} Diferentes polímeros: acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), acetato-butirato de celulosa (CAB), etc.

~ Materiales de vidrio: presentan una muy buena resistencia quí-mica sobre todo a pH bajos y, además a través de ellas, se puede observar cómo se están llevando a cabo los procesos. Su incon-veniente es que son muy frágiles y cualquier cambio de tempe-ratura o esfuerzo mecánico puede romperlas.

Tuberías de PVC


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Dimensiones de tuberías

Después de seleccionar el material de una tubería (mediante alguna de las normas existentes) hay que obtener el tamaño necesario de la tubería, es decir, su diámetro nominal y su espesor.

Tubos de vidrio

Recuerde

Hay diversos tipos de materiales de tuberías, y los más frecuentes en los procesos químicos son: metálicos ferrosos con y sin costura, metálicos no ferrosos como el cobre, níquel, plomo, bronce, latón, aluminio y titanio, plásticos (de polímero único o de varios polímeros) y de vidrio (este último se utiliza especialmente cuando es necesario ver el proceso).

Definición

Diámetro nominal (DN)Es el tamaño (diámetro) por el que se identifica una tubería.

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El cálculo del diámetro nominal de una tubería se realiza matemática-mente a partir del caudal, velocidad y presión del fluido, y en función del tipo de flujo.

Una vez obtenido el diámetro nominal se pueden utilizar las tablas que aparecen en las normas de las tuberías. En ellas se establecen series de diámetros nominales y espesores de pared para las tuberías de cada material, con varios espesores para un mismo diámetro nominal, ya que el espesor depende de la presión que soporte la tubería.

El espesor de la pared de una tubería se denomina en algunas normas número de catálogo o cédula (en inglés schedule) y se calcula también matemáticamente en función de la presión interna de trabajo y de la pre-sión que soporta el material.

Cuando se haya obtenido se puede entrar en las tablas de la norma de la tuberías para un material, y para un diámetro nominal y un espesor. Así se puede saber el resto de características de la tubería como el diámetro interior, diámetro exterior, peso de la tubería, área de sección interior y transversal, relación entre el diámetro interior y la longitud de la tubería, o la relación entre el diámetro exterior y la longitud de la tubería.

Características

Las características básicas que definen una tubería y con las que se puede realizar un pedido o comprar una de ellas son las siguientes:

Especificaciones de pedido de tuberías

Diámetro nominal de la tubería.Número de catálogo o espesor.Material y costura (en su caso).Longitud de la pieza.Extremos de la tubería (para soldar, roscados, etc.).Recubrimientos (en su caso).Norma de aplicación.


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Como se sabe, las tuberías tienen otras dos características fundamen-tales que se obtienen a partir de las anteriores como son el diámetro inte-rior y el diámetro exterior.

Otras tres características importantes de las tuberías son la presión, la temperatura de trabajo y la presión de prueba. La presión de prueba, que se hace en fábrica, es la presión que soporta la tubería sin que se produzcan fugas.

Algunas otras características de las tuberías que se obtienen de las anteriores son:

� La sección transversal del material de la tubería. � La sección de paso del fluido. � El peso de la tubería por unidad de longitud. � La superficie exterior de la tubería por unidad de longitud de esta. � La superficie interior de la tubería por unidad de longitud de esta. � Rugosidad y otras propiedades del material. � Momento de inercia de la tubería. � Radio de giro de la sección de la tubería. � Módulo resistente de la sección de la tubería.

Nomenclatura

Cada norma específica debe indicar la nomenclatura o codificación para la identificación de cada tubería, y cómo se debe identificar física-

Nota

La presión y la temperatura de trabajo son las condiciones más desfavorables de presión y temperatura, respectivamente, a la que va a estar expuesta la tubería cuando se utilice.

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mente el conducto. Normalmente la nomenclatura suele llevar la siguiente información:

� La norma conforme está fabricada la tubería. Ejemplo: ASTM A312, que es la norma para la fabricación de tuberías inoxidables.

� El diámetro nominal o el diámetro exterior y el espesor o número de catálogo. Ejemplo: 4x0,11 en pulgadas.

� El material del tubo. Ejemplo: 316L es acero inoxidable. � El extremo de la tubería. Ejemplo: EW para soldar a tope.

Sistemas de unión. Especificaciones-normas

Como se sabe, las piezas de tuberías fabricadas no tienen longitudes muy grandes, y por tanto, si se quiere montar una conducción es necesaria la uti-lización de un tipo de accesorios para tuberías. Estos son las uniones o los sistemas de unión, y existen diferentes tipos.

Recuerde

Para elegir una tubería, el primer paso es la elección del material, a continuación el cálculo del diámetro nominal y el espesor. Con estos datos en las tablas de las normas se pueden obtener el resto de características de las tuberías.

Nomenclatura impresa en tubo de cobre


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Por otro lado, es interesante conocer la existencia de diferentes normas que especifican todas las actuaciones a realizar en la fabricación de tuberías y en el uso de estas. También es conveniente saber para qué se utilizan estas normas.

Sistemas de unión

Todas las piezas que forman una línea de conducción deben unir sus extremos sin afectar al paso del fluido, y por tanto, sin afectar a la sección interior de paso de fluido. Las uniones se pueden producir entre tuberías, o entre tuberías y accesorios. Cada tipo de tubería permite el uso de uno o varios tipos de uniones, siendo los métodos más utilizados para la unión los que dependen del material de construcción y del espesor de la pared de las tuberías, como:

� Acoplamiento por accesorios que rodean un tramo corto de ambos tubos o tuberías mediante rosca. Se caracterizan por:

~ No son fuertes, ya que la rosca debilita la pared del tubo o tu-bería.

~ Se utilizan en tuberías de pared gruesa. ~ Están normalizados para tuberías de hasta 12 pulgadas, aunque su uso es raro en tuberías mayores de 3 pulgadas.

� La unión tope a tope de las tuberías mediante fusión de su material en los extremos. Es el caso de la soldadura. Se caracteriza por:

~ Se trata de uniones fuertes sin debilitar la pared de la tubería. ~ Se utiliza para conexiones permanentes de diámetros mayores de 50 mm.

Manguito de unión roscado de tubo metálico

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~ Se utiliza para líneas de alta presión y temperatura. ~ Se utiliza en lugares donde exista dificultad para realizar cam-bios, ya que no pueden abrirse sin destruirse.

� Sujeción a través de elementos o piezas en los extremos de cada tu-bería que pueden ser solidarios de esta o tratarse de piezas postizas o accesorios que se fijan por distintos modos a los extremos, como es el caso de las bridas. Se caracteriza por:

~ Se trata de uniones fuertes, pero no tanto como la unión tope a tope.

~ Se utilizan para unir tuberías de diámetros mayores de 50 mm. ~ Se utilizan para cerrar una tubería, como por ejemplo la brida ciega.

~ Se utilizan en lugares donde se puede desarmar de forma rápida la tubería para su limpieza o mantenimiento.

Dos tuberías metálicas soldadas

Bridas de conexión en acero inoxidable


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� Acoplamiento de tubos por un extremo ensanchado y el otro normal para que encajen uno con el otro, como es el sistema enchufe. Se caracteriza por:

~ Se trata de uniones que no son fuertes. ~ Se utilizan para tubos de espesor estrecho.

Especificaciones-normas

Las normas permiten un lenguaje de comunicación común entre los fabricantes de tuberías y los usuarios de las mismas, y a su vez aseguran una serie de ventajas para estos últimos, como:

� Mayor garantía de calidad. � Seguridad de que el producto es idóneo dentro del ámbito de apli-cación de la norma.

� Posibilidad de establecer comparación de ofertas por materiales ho-mogéneos.

� Facilidad de elección de productos definidos.

Cada norma indicará el método de fabricación, pruebas, ensayos e inspecciones que un fabricante debe tener implantado en su proceso para obtener como producto una tubería sujeta a las especificaciones finales definidas en la norma. Estas especificaciones, que son las características que deben tener las tuberías para salir al mercado, son del tipo resistencia

Recuerde

El sistema de unión más fuerte es el de soldadura. Este se utiliza para líneas de altas presión y temperatura, y no debilitan las tuberías. La brida es un sistema de unión también fuerte (aunque no tanto como la soldadura). La ventaja de este sistema es que se pueden desarmar para limpieza y mantenimiento.

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mecánica, composiciones de materiales, resistencia química, tolerancias de las medidas, etc.

Las normas más utilizadas para la fabricación de tuberías industriales son las pertenecientes a:

� ASME, la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. Son las normas que tienen mayor aceptación mundial en la fabricación de tuberías. Por ejemplo:

~ ASME B31.3 - Tuberías de proceso de refinerías y plantas quí-micas.

� EN, Norma Europea. Por ejemplo:

~ EN 13.480 - Tuberías industriales mecánicas.

� ASTM, la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales. Por ejemplo:

~ ASTM A312 - Especificación para tuberías de acero inoxidable austenítico sin consturas.

� ANSI, el Instituto Nacional Americano de Estándares. � API, el Instituto Americano del Petróleo. � NFPA, Asociación Nacional de Protección Contra Incendios.

Nota

Cada fabricante elige una norma en función de su mercado, ya que si su mercado es a nivel internacional, debe fabricar las tuberías en base a una norma reconocida interna-cionalmente, como es la ASME, por ejemplo.


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Existen también en algunos países de la Unión Europea normas para la fabricación de tuberías como son DIN en Alemania, BS en el Reino Unido o AFNOR en Francia.

Por tanto existen multitud de normas relativas a la fabricación de tu-berías, pero también hay normas para la utilización de estas. Un ejemplo muy interesante para este campo de actividad es la norma EN 1063 que reconoce un código de colores con el que se pintan las tuberías para iden-tificar los fluidos transportados por estas y se indica el sentido de su flujo. En muchas plantas industriales químicas está implantado, y el significado de alguno de los colores es el siguiente:

Color de la tubería Fluido transportado

Verde Agua

Rojo Vapor de agua

Gris Aire

Amarillo o amarillo con color adicional rojo Gases combustibles, incluso gases licuados

Sepia o sepia con color adicional rojo Líquidos combustibles

Tuberías pintadas de rojo con vapor de agua y amarillo con un gas combustible

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2.2. Accesorios de tubería

Existe una amplia variedad de accesorios para conducciones, desde ele-mentos necesarios para dar continuidad, enlazar, direccionar y derivar las tube-rías, hasta sus soportes, juntas de expansión, aislamientos, traceado de vapor o encamisado, entre otros.

Codos, tes, cruces, elementos de unión, derivaciones, reducciones, etc.

Se puede efectuar una clasificación elemental de los accesorios más habi-tuales que existen en las conducciones según la función que desempeñan. Las funciones más comunes son:

■ Unión de tubos, de tubos y accesorios, o de accesorios: juntas, mangui-tos, bridas, etc.

■ Regulación y detención del flujo: válvulas y discos ciegos.

Recuerde

Las normas de las tuberías se utilizan como lenguaje de comunicación entre fabricante y usuario.

Definición

Accesorios de tuberíasSon aquellas piezas moldeadas con diferentes formas que están unidas a las tuberías y que forman parte de las conducciones de los procesos en una planta química.


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■ Cambios en la dirección del flujo de la conducción: fundamentalmente curvas y codos.

■ Cambios de diámetro en las conducciones: reductores y conectores de ampliación.

■ Mezcla o reparto del caudal entre varías tuberías: tes, cruces, derivacio-nes, etc.

■ Cierre de extremos en conducciones y accesorios: tapones, tapas, bridas ciegas.

Los accesorios más utilizados e implantados en la industria química, sin tener en cuenta las válvulas, son:

■ Brida: se trata de dos anillos metálicos unidos mediante tortillería que comprimen una junta que se encuentra situada entre ambos. Se utilizan para unir tuberías con otros equipos o accesorios, o entre sí. Se unen mediante dos bridas, una para cada lado que se quiere empalmar. Las bridas previamente han quedado soldadas o roscadas a estos elementos que se pretenden unir. Su gran ventaja es que es relativamente sencillo desmontar la brida y se puede hacer rápidamente, lo que es necesario en ocasiones para la reparación o el mantenimiento de una conducción.

Nota: una brida ciega es el disco de una brida sin abertura empleada para cerrar o tapar una tubería.

Importante

Las especificaciones de pedido de estos accesorios son: tipo de accesorio, diámetro nominal, espesor, material, extremos, tamaño y otros datos específicos en función del accesorio.

Anillo de una brida de aleación de acero

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■ Disco ciego: es un elemento que se monta entre los dos discos de una brida para detener o bloquear la circulación de un fluido.

■ Codos: son accesorios que tienen forma de curva y cuya función es el cambio de dirección de una conducción con un ángulo determinado. Los más utilizados son los de 45º, 90º y 180º. Sabía que…: Tanto en los codos como en las curvas, el flujo es más tur-bulento que en las líneas rectas, por lo que en ellos aumenta la corrosión y la erosión, y por tanto, son las zonas más vulnerables de la instalación. Esto se debe contrarrestar escogiendo estos accesorios con mayor radio de curvatura, contorno interior más liso y mayor espesor de pared, pero normalmente esto no resulta económico.

■ Reducciones: son accesorios que tienen forma cónica y que permiten reducir las secciones de las tuberías. Estos pueden ser concéntricos si coinciden los centros de las tuberías de mayor y de menor diámetro, o

Obturador de tubería por disco ciego

Codo de 90º de PVC


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excéntricos si coinciden las paredes de las tuberías. También existen co-nectores de ampliación cuya función es la contraria, ampliar la sección de la conducción.

■ Tes: son los elementos que se utilizan para la derivación de las conduc-ciones, teniendo la derivación un ángulo de 90º respecto a la conduc-ción. Pueden tener todos los diámetros iguales o alguno reducido. Se pueden utilizar para unir flujos o para bifurcarlos.

■ Cruces o crucetas: es un accesorio que permite la unión de cuatro tubos.

Reductor concéntrico de acero inoxidable

Reductor excéntrico de acero inoxidable

Te de acero inoxidable

Cruz de acero galvanizado

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■ Derivaciones: son los elementos que se utilizan para la derivación de las conducciones, teniendo esta un ángulo diferente a 90º respecto a la con-ducción. Pueden tener todos los diámetros iguales o alguno reducido. Se pueden utilizar para unir flujos o para bifurcarlos. La diferencia respecto a la te es el ángulo que forma la derivación respecto a la tubería.

■ Tapas y tapones: son los elementos terminales de las conducciones, ya sea porque se quiera hacer una ampliación a posteriori, o porque la conducción termina en ese punto.

Derivación de PVC

Brida ciega colocada en una conducción de acero

Tapón de acero Brida ciega de acero


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Soportes, juntas de expansión

Tanto los soportes como las juntas de expansión son accesorios de las tube-rías que conviene conocer por la importante función que desempeñan.

Soportes

Para prevenir que las tuberías puedan caerse es imprescindible de-terminar qué soportes o apoyos se deben utilizar y calcular el peso que pueden soportar, ya sean estos colgantes o fijos. Para ello se debe tener en cuenta, fundamentalmente, el tipo de soportes o apoyos a utilizar, la separación entre estos, el cálculo de las cargas y la posible expansión de las conducciones por cambios de temperatura.

Las cargas transmitidas por las conducciones a los soportes están cons-tituidas por el propio peso, presión, vibración, expansión térmica, viento, etc. Para una adecuada elección de los soportes se deben tener en cuenta todos estos aspectos.

Existen diversos tipos de soportes como pueden ser las abrazaderas, perchas, soporte de pared, cadenas, cuna de apoyo, patines con cuna, etc.

Definición

SoportesSon los elementos que se utilizan para apoyar, sostener o mantener en una posición concreta una conducción.

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La ubicación de los soportes es tan importante como puede ser su cál-culo o su diseño. Para ello hay que tener un amplio conocimiento sobre las conducciones y el lugar donde se encuentran, ya que es importante saber si hay suficiente espacio en la zona, si tienen que realizarse mantenimien-tos o limpiezas periódicas, o si las estructuras del edificio pueden soportar el peso de las conducciones.

En las conducciones hay zonas donde no se deben colocar los soportes y otras donde se ubican normalmente, siendo estas últimas las siguientes:

� Sobre tramos rectos de tuberías y no sobre accesorios como válvulas, codos, conexiones, o juntas de expansión. Por ejemplo, se puede colocar un soporte después de un cambio de dirección en la tubería, como un codo.

� Sobre tramos de conducciones que no necesiten cambios o modifi-caciones constantes para mantenimiento o limpieza.

� En las proximidades a zonas con acumulaciones altas de carga como, por ejemplo, los ramales de tubería.

Existen valores orientativos de distanciamiento máximo entre soportes para tuberías de distintos materiales y diámetros.

Diferentes tipos de soportes de tuberías


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Juntas de expansión

Las conducciones en muchas ocasiones están sometidas a cambios de temperaturas, y, a veces, estas variaciones son elevadas produciéndose contracciones y expansiones de las tuberías.

En estas situaciones, si una conducción es rígida y está fija sobre soportes, puede romperse, desprenderse, o curvarse. Por ello, las conduc-ciones con grandes longitudes, en muchas ocasiones, están suspendidas mediante cadenas y no se encuentran sobre soportes fijos.

Para poder absorber las tensiones o los esfuerzos que generan la ex-pansión de conducciones de grandes longitudes que se someten a varia-ciones importantes de temperaturas se utilizan las juntas de expansión.

Recuerde

Se deben colocar soportes sobre tramos rectos de tuberías (y no sobre accesorios) y en las proximidades de zonas con acumulaciones altas de carga, como por ejemplo, los ramales de una tubería.

Sin embargo, no se deben colocar los soportes sobre tuberías que necesiten cambios constantes para limpieza o mantenimiento.

Definición

Juntas de expansiónSon estructuras flexibles cuya función es absorber las contracciones y expansiones de las conducciones metálicas sometidas a elevadas diferencias de temperatura.

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El material de tubería más eficiente actualmente para las plantas quí-micas es el de acero inoxidable y sus aleaciones, debido a la alta resisten-cia del inoxidable a la corrosión, a las altas temperaturas, y a su propiedad de elasticidad.

El elemento utilizado como junta de expansión en estas conducciones es el fuelle, que tiene forma de acordeón. Los fuelles que se fabrican ac-tualmente tienen la resistencia necesaria para aguantar la presión de este tipo de conducciones y son lo suficientemente flexibles como para resistir las tensiones o los esfuerzos generados por las contracciones y expansio-nes que sufren este tipo de tuberías. Existen diversos tipos de fuelle.

También existen en el mercado juntas de expansión de otros tipos de materiales no metálicos como son los elastómeros o el neopreno. Estas se utilizan en aplicaciones más simples.

Algunos tipos de juntas de expansión metálicas tipo fuelle

Tipo simple Tipo bisagra Tipo duplex

Recuerde

El fuelle es el elemento utilizado como junta de expansión para tuberías metálicas de acero inoxidable y sus aleaciones.


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Las ventajas de las juntas de expansión son:

� Absorben los movimientos de las tuberías. � Aguantan perfectamente las temperaturas altas. � Ocupan poco espacio en la instalación. � No producen un incremento de pérdida de carga en las conducciones. � No necesitan ningún mantenimiento.

Aislamiento, traceado de vapor, encamisado

La temperatura es una variable muy importante en las plantas químicas que hay que controlar para evitar problemas en los procesos químicos. Por ello, hay determinadas actuaciones necesarias para mantener o aumentar la tempera-tura de un fluido, entre las que se encuentran el aislamiento, el traceado y el encamisado.

Aislamiento

El aislamiento térmico es la utilización de un material con la finalidad de dificultar la transmisión de calor a través de este. Con ello se evitan las pérdidas de calor al exterior, y por tanto, el desaprovechamiento de la energía y, en el ámbito de la seguridad se previenen las posibles quema-duras a los trabajadores con las tuberías por donde circula el fluido a alta temperatura.

Las funciones del aislamiento térmico son:

� Dificultan el paso del calor reteniéndolo dentro de las tuberías y por tanto, en el fluido.

� Controlan la temperatura del fluido previniendo posibles condensa-ciones de los fluidos de vapor.

El aislamiento térmico de conducciones se puede llevar a cabo me-diante:

� Aislamiento en forma de coquillas: las coquillas son fáciles de co-locar, ya que tienen un corte longitudinal. Se puede asegurar su

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fijación, por ejemplo, mediante alambre de acero. Se deben utilizar dos coquillas o una coquilla y una manta a temperaturas superiores a 200 ºC.

� Aislamiento en forma de mantas: la forma habitual de montaje de las mantas se realiza mediante el cortado de la misma con una di-mensión igual al diámetro exterior de la tubería más el doble de espesor de la manta. A continuación, se recubre la tubería y para cerrar la manta se cosen los bordes, por ejemplo, con alambre de acero. Se deben utilizar dos o más mantas a temperaturas superiores a 200 ºC.

Coquillas de aislamiento

Manta de lana mineral de roca para aislamiento


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Algunos materiales utilizados como aislantes térmicos son la lana de roca, la lana de vidrio, poliuretano, etc.

En ocasiones, para evitar el deterioro del aislamiento, se puede prote-ger mediante un revestimiento, por ejemplo, de chapa de acero inoxidable o aluminio.

Antes de iniciar el proceso de aislamiento se debe:

� Limpiar y secar la superficie de las conducciones donde se va a montar el aislamiento.

� Recubrir la superficie de la tubería con una pintura de revestimiento o anticorrosiva como protección de la conducción.

� Colocar el aislamiento cuando se haya secado la pintura.

Traceado de vapor

El traceado de vapor es un sistema de calefacción que se emplea para mantener a temperaturas por encima de la temperatura ambiente los flui-dos que circulan por una conducción. Para ello se instala en el interior de una conducción un tubo de media pulgada de cobre, o en ambientes corrosivos, de acero inoxidable. Este tubo, denominado trazador, conduce vapor de agua en su interior.

Aislamiento de tuberías con doble coquilla de poliuretano

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Este es el método de traceado de calor que más se utiliza en los siste-mas de tuberías industriales, y se emplea sobre todo, en plantas petroquí-micas, aunque también en plantas químicas.

Existe otro sistema de traceado de calor, es el eléctrico pero se utiliza muchísimo menos. En vez de la tubería de cobre utiliza un cable eléctrico que desprende calor.

Nota

El sistema se aísla en el exterior de la tubería a tracear con uno de los dos tipos de aisla-miento (mantas o coquillas) para evitar pérdidas de calor al ambiente.

Sistema de traceado de vapor

Tubería

Traceado de vapor


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Este sistema de traceado de vapor se utiliza fundamentalmente para:

� Evitar la congelación de líquidos. Por ejemplo, el agua cuando circu-la en el interior de conducciones con bajas temperaturas ambiente.

� Prevenir que una corriente de vapor pueda condensar a baja tempe-ratura ambiente.

� Realizar sin dificultades el transporte de combustibles líquidos con alta viscosidad a bajas temperaturas, manteniendo una temperatura adecuada en sus conducciones.

Encamisado

Cuando se habla de encamisado siempre hay que pensar en tuberías y accesorios con dos paredes, o con doble pared.

En los procesos químicos, la función del encamisado es prácticamente la misma que la del traceado. El encamisado se realiza fundamentalmente para evitar que solidifiquen en conducciones críticas de procesos quími-cos los líquidos que sean muy pastosos, es decir, muy viscosos.

Se trata de dos tubos concéntricos: por el tubo interior circula el fluido a encamisar, y entre las dos paredes, es decir, en el espacio anular de los dos tubos, circula el fluido caliente que se utiliza para mantener la tem-peratura o calentar el sistema.

Recuerde

El traceado de vapor es un sistema de calefacción de tuberías en el que se introduce en el interior de estas un tubo normalmente de cobre de media pulgada con vapor. El otro sistema de traceado es a través de un cable eléctrico que desprende calor, sin embargo, este método es utilizado con muchísima menos frecuencia.

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Los tubos suelen ser de acero inoxidable y como fluido calefactor se puede utilizar agua, aceite o vapor de agua.

Este término también es muy utilizado en la industria para la protección de conducciones en ambientes desfavorables, es decir, montar alrededor de estas una tubería concéntrica exterior para protegerlas. Esta camisa debe mantener totalmente estanca la conducción que se pretende proteger.

Por ejemplo, en ambientes ácidos, y para prevenir la corrosión de tube-rías metálicas, se utilizan con gran frecuencia encamisados de tuberías de materiales plásticos como, por ejemplo, polietileno o PVC que son inertes ante ambientes corrosivos.

Sistema de encamisado de tuberías para mantener la temperatura de un fluido

Entrada vapor de agua

Salida fluido

Entrada fluido

Salida vapor de aguaEspacio anular

Importante

El encamisado normalmente tiene una longitud máxima para el agua y el aceite de 12 m y para el vapor de agua de 6 m, siendo esta última menor debido a que en cada tramo hay que eliminar el condensado.


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Se trata por tanto de un sistema bastante económico y efectivo ante el siempre difícil problema de la corrosión o abrasión de conducciones.

Recuerde

El encamisado es un sistema de calefacción en el que se recubre una conducción con otro tubo, normalmente de acero inoxidable, y se introduce entre ambas paredes agua, vapor o aceite como fluido calefactor.


Indique para qué se utilizan los siguientes accesorios: tapón, brida, cruz, disco ciego, codo, te, manguito, tapa, reducción, derivación, junta, conectores de ampliación, brida ciega, curva, enchufe.

SOLUCIÓN

Tapón: cierre de extremos de tubos y accesorios.Brida: unión o empalme de tubos.Cruz: reparto o mezcla de flujo.Disco ciego: detención del flujo en una conducción.Codo: cambio de dirección del flujo en una conducción.Te: reparto o mezcla de flujo.Manguito: unión o empalme de tubos.Tapa: cierre de extremos de tubos y accesorios.Reducción: cambio de diámetro de la tubería.Derivación: reparto o mezcla de flujo.Junta: unión o empalme de tubos.Conectores de ampliación: cambio de diámetro de la tubería.Brida ciega: cierre de extremos de tubos y accesorios.Curva: cambio de dirección del flujo en una conducción.Enchufe: unión o empalme de tubos.

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Indique la información a aportar para hacer un pedido de los siguientes elementos: tubería, te, codo y reducción.

SOLUCIÓN

Tubería: diámetro nominal, espesor, material y costura (en su caso), longitud de pieza, extre-mos de la tubería, recubrimiento (en su caso) y norma de aplicación.

Te: diámetro nominal, espesor, material, extremos.

Codo: diámetro nominal, espesor, material, extremos, ángulo y tipo de radio (hay dos tipos, el largo y el corto).

Reducción: dos diámetros nominales, espesor, material, extremos, y si es concéntrica o excén-trica (si es excéntrica hay que incluir los dos diámetros).


Imagine que trabaja para la empresa “Conducciones Metálicas, S. A.”, y durante su turno le avisan para arreglar una conducción de acero inoxidable que se ha roto. Esta tubería se encontraba rígida y fija en sus soportes, y tenía cambios constantes de temperatura. Indique cómo actuaría para solucionar este problema y evitar que vuelva a suceder.

SOLUCIÓN

Cuando se instale la nueva tubería se deben utilizar juntas de expansión para contrarrestar los cambios de temperatura. Como la tubería es de acero, las juntas a utilizar deben ser de tipo fuelle.


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Suponga que en su empresa “Conducciones Metálicas, S. A.” se están optimizando los procesos y se quieren reducir las pérdidas de calor de estos. Para ello solicitan su ayuda. Una conducción del proceso a optimizar es una tubería por la que circula un fluido a una temperatura a 250 ºC, pero parte del calor de este fluido se disipa antes de llegar a su depósito de almacenamiento. Indique cómo actuaría para evitar que el calor se disipe.

SOLUCIÓN

Se debe aislar la tubería para evitar las pérdidas de calor. Se puede hacer de tres formas: utilizar dos coquillas, una coquilla y una manta, o dos capas de mantas. Al ser la temperatura bastante alta, mayor de 200 ºC, se debe utilizar más de un aislamiento.


Imagine que trabaja para la empresa “Tuberías Verdes, S. L.”, y solicitan rápidamente su ayuda porque se ha producido un problema en una de las conducciones principales del proceso y se ha tenido que detener la producción. La temperatura ambiente es muy baja y el agua de esta tubería se ha congelado. Por tanto, esta tubería necesita mantener la tem-peratura por encima de la temperatura ambiente para evitar que se vuelva a congelar el líquido. Indique cómo actuaría para evitar que vuelva a congelarse el agua de esta tubería.

SOLUCIÓN

Se debe instalar un sistema de traceado de vapor para mantener la temperatura por encima de la temperatura de congelación del agua. El sistema consiste en una tubería de cobre de media pulgada de vapor de agua en el interior de la conducción de esta.

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3. Válvulas. Introducción a las válvulas

Se utilizan, de manera general, para abrir, cerrar o variar (regulando el paso) el flujo de líquidos, gases y vapores (es decir, fluidos) que circulan por una tubería, pero también se emplean para aislar equipos o tuberías para el mantenimiento.

Las características básicas que definen una válvula son: tipo, material, ex-tremos (para unión a la tubería), tamaño y presión de funcionamiento.


Suponga que en su empresa “Tuberías Verdes, S. L.” se vuelve a solicitar de nuevo su ayuda debido a que se ha solidificado en una conducción un líquido muy pastoso que circula por una línea crítica de proceso a una temperatura ambiente baja. Por tanto, la conducción necesita mantener la temperatura por encima de la temperatura ambiente para evitar soli-dificación del líquido pastoso. Indique cómo actuaría para evitar que vuelva a solidificarse dicho líquido.

SOLUCIÓN

Se debe instalar un encamisado de vapor para mantener la temperatura por encima de la temperatura de congelación del líquido pastoso. El sistema consiste en dos tubos concéntricos para que pueda circular vapor entre ambas paredes y pueda calentar el fluido. La camisa será de acero inoxidable y como máximo de seis metros de longitud. Se debe eliminar el condensado del vapor de agua en cada tramo.

Válvula


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3.1. Importancia. Partes principales de la válvula. Detalles constructivos

Las válvulas son uno de los instrumentos más importantes de la industria química, ya que sin ellos, sería imposible que se llevaran a cabo los procesos químicos. Con las válvulas se puede abrir, cerrar, regular, derivar, conectar y desconectar todo tipo de fluidos en diferentes condiciones operacionales de temperatura y presión, y para diferentes tamaños.

Para que se pueda llevar a cabo un proceso químico es necesaria la co-nexión entre diferentes equipos de procesos y a su vez estas conexiones pre-cisan de las válvulas para controlarlos y que estos puedan llevarse a cabo de manera continua, ya que en caso contrario, entrarían y saldrían en los equipos caudales constantes de fluidos sin ningún tipo de control. De esta manera, en los procesos químicos nunca se podrían obtener productos acordes a las espe-cificaciones previamente definidas.

Definición

VálvulaEs un dispositivo mecánico que se utiliza para permitir, interrumpir o regular la circulación de los fluidos a través de las conducciones de un sistema o proceso.

Nota

Especialmente se deben mencionar las válvulas de control, ya que gracias a ellas, se regulan las variables de los procesos como la presión, temperatura, nivel, etc. necesarios para que se lleven a cabo los procesos químicos.

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Todas las válvulas tienen diferentes elementos comunes imprescindibles para un adecuado funcionamiento, y entre los que se destacan los siguientes:

1. Obturador o disco: es el elemento que movido por el vástago interrumpe el caudal del fluido. Puede tener movimiento vertical o rotativo.

2. Vástago, eje o husillo: es el elemento que manipulado por el acciona-miento es capaz de mover el obturador.

3. Asiento: es la parte de la válvula donde se lleva a cabo la interrupción del flujo mediante el contacto con el disco.

4. Estopero o caja de empaquetadura del eje: es una caja de protección situada entre la tapa y el vástago, es decir, alrededor del eje. Su función es impedir el escape del fluido a través de la tapa, y por tanto, aportar estanqueidad a la válvula. Esta caja se llena de un material inerte com-primido, normalmente teflón, que es el empaque o la empaquetadura. La empaquetadura normalmente se comprime o se aprieta manualmente de modo periódico por medio de un casquillo prensaestopas que presio-na la caja mediante una arandela atornillada a la tapa.

Detalle constructivo de una válvula típica

9

2

6

4

8

1

5

367


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5. Juntas de cierre: es el elemento que se encuentra situado alrededor del asiento y que asegura la estanqueidad cuando el obturador está coloca-do en él, es decir, cuando la válvula esté cerrada.

6. Cuerpo y tapa: son los elementos que cubren o envuelven la válvula. La tapa también se denomina bonete y se encuentra situada en la parte superior, y el cuerpo, que se denomina carcasa, es la inferior.

7. Extremos: es la parte de la válvula que permite su unión a una tubería o a un equipo.

8. Pernos de unión: son los elementos que unen el bonete y el cuerpo de la válvula para que esta quede totalmente estanca.

9. Accionamiento: es el elemento que permite abrir, cerrar o regular la válvula. Este puede se manual o mecánico.

3.2. Clasificación: según su utilización y según elementos constructivos

Debido a las diferentes variables no hay una válvula que se pueda utilizar para todos los procesos o situaciones, y además existen en el mercado un nú-mero ilimitado de válvulas diferentes.

Empaquetaduras del eje de una válvula

192 |


Una posible clasificación de las válvulas se puede llevar a cabo de acuerdo con su función o utilización y según sus elementos constructivos (movimiento del obturador y diseño del cuerpo):

1. Apertura y cierre, es decir, su misión es interrumpir el flujo de la línea de forma absoluta y funcionan abiertas o cerradas totalmente. Estas a su vez se pueden dividir en función del movimiento del eje, en lineal o rotatorio:

� Apertura y cierre lineal: el movimiento del eje se realiza de forma vertical o lineal de arriba hacia abajo para cerrar la válvula, y de aba-jo hacia arriba para abrirla. Tienen movimientos de cierre y apertura lentos y accionados por volantes multivuelta. Estos son:

~ Válvulas de compuerta. ~ Válvulas de globo o asiento. ~ Válvulas de diafragma o membrana.

Nota

Realmente no existen tantos tipos de válvulas distintas, ya que cualquier nuevo diseño se puede englobar en alguna de las clases de válvulas existentes. Generalmente, cualquier nueva creación suele ser una variante.

Válvulas de apertura y cierre

Válvulas de apertura y cierre linealVálvulas de compuerta.Válvulas de globo o asiento.Válvulas de diafragma o membrana.

Válvulas de apertura y cierre rotatorioVálvulas rotatorias de macho.Válvulas rotatorias de bola.Válvulas de mariposa.


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� Apertura y cierre rotatorio: el movimiento del eje se realiza de forma rotatoria en 90º. Tienen movimientos de apertura y cierre rápidos. Estos son:

~ Válvulas rotatorias (de macho y de bola). ~ Válvulas de mariposa.

2. Estrangulación o regulación, es decir, aquellas que pueden funcionar entreabiertas para así poder modificar el flujo en cuanto a cantidad, desviarlo, mezclarlo o accionarlo de forma automática. Estas se pueden desglosar en:

� Válvulas de globo o asiento. � Válvulas de mariposa. � Válvulas de diafragma o membrana.

3. Retensión, cuyo objetivo es evitar el retroceso del flujo. Estas se pueden clasificar en:

� Válvulas de pistón. � Válvulas de bola. � Válvulas de clapeta.

4. Seguridad, cuyo objetivo es proteger a las personas y a los equipos con-tra la sobrepresión, como por ejemplo:

� Válvulas de alivio de presión. � Válvulas de apertura instantánea.

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3.3. Descripción funcional y mecánica. Especificaciones de pedido. Ventajas e inconvenientes. Materiales

Para cada una de las válvulas de apertura y cierre, de estrangulación y de regulación, que son los modelos básicos de válvulas junto con otras válvulas especiales, se realiza una descripción funcional y mecánica, se indican sus especificaciones de pedido, sus ventajas, inconvenientes y materiales de cons-trucción.

Válvula de compuerta, de globo, de mariposa, de diafragma, rotatoria

Las válvulas de apertura y cierre, y de regulación o estrangulación pueden ser del tipo compuerta, globo, mariposa, diafragma y rotatoria.

Válvula de compuerta

Las válvulas de compuerta son las más utilizadas en redes industriales, fundamentalmente, en tuberías donde se requiere circulación ininterrumpida.

Descripción funcional y mecánica

Su accionamiento normalmente se lleva a cabo de forma manual, mediante vueltas múltiples. Cuando se gira su accionamiento para ce-rrar la válvula, el vástago desliza con un movimiento vertical descenden-te el obturador con cara plana o disco vertical, que está situado en su

Recuerde

Las válvulas pueden clasificarse en cuatro tipos:

\ De apertura y cierre: interrumpen el flujo de forma total. \ De regulación o estrangulación: regulan el caudal. \ De retención: impiden que el flujo retroceda. \ De seguridad: protegen equipos y personas contra la sobrepresión.


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extremo, hasta el asiento. Cuando se gira para abrirlo, el obturador sufre un movimiento vertical ascendente hasta que sale por completo de la conducción para que no se produzca ningún tipo de reducción en esta. En este tipo de válvulas, el fluido circula en línea recta y parece como si no atravesase la válvula, ya que apenas se producen rozamientos.

Válvula de compuerta

Especificaciones de pedido

Tipo de tapa, vástago, asiento y obturador.Tipo de empaquetadura y conexiones en los extremos.Presión y temperatura de funcionamiento. Materiales.

Ventajas

Funcionamiento muy sencillo.Tienen un coste bajo.Se puede utilizar con presiones elevadas y grandes diámetros.Cierre bastante hermético.Mínima resistencia a la circulación en posición abierta.


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Válvula de globo

Las válvulas de globo o de asiento, normalmente, se suelen accionar manualmente con un volante, pero en las válvulas con gran tamaño y altas presiones se lleva a cabo con una cadena de engranaje.


La válvula se cierra cuando al girar manualmente el volante, el vás-tago desciende verticalmente hasta que el obturador, que está en su extremo inferior, se coloca sobre su asiento en el cuerpo de la válvula.

Recuerde

Las válvulas de compuerta se utilizan para abrir o cerrar mediante un volante de vueltas múltiples conducciones de fluidos que atraviesan la válvula en línea recta. Se caracterizan porque se utilizan con poca frecuencia y tienen baja caída de presión. Estas pueden estar fabricadas en distintos materiales, como bronce, acero, plástico, etc.

Inconvenientes

Su uso debe ser poco frecuente.No son adecuadas para la regulación.Pueden producir cavitación.Se necesita mucha fuerza para hacerlas funcionar.El fluido no puede tener partículas sólidas en suspensión.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierros diversos (fundido, dúctil, etc.), aceros diversos (fundido, inoxidable, al carbono, etc.), aleaciones especiales, plástico.



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Si se quiere estrangular la circulación del fluido, en vez de llegar con el obturador hasta el asiento, se detiene el giro antes. La apertura de la válvula consiste en el giro manual inverso. Se eleva el vástago verti-calmente, alejándose el obturador de su asiento.

El sentido del fluido en este tipo de válvulas es siempre contrario al movimiento de cierre del obturador, entrando por la zona inferior de la válvula. El ajuste entre el obturador y el asiento es del tipo macho-hembra, y puede tener forma cónica, cilíndrica o plana.

Válvula de globo


Tipo de tapa, vástago, asiento y obturador.Tipo de empaquetadura y conexiones en los extremos.Presión y temperatura de funcionamiento. Materiales.


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Válvula de mariposa

Las válvulas de mariposa, que también se llaman de compuerta girato-ria, son de construcción muy sencilla.

Recuerde

Las válvulas de globo se utilizan para abrir, cerrar o regular, mediante un volante de vueltas múltiples, conducciones de fluido que entran por la zona inferior de la válvula. Se caracteri-zan por su uso frecuente y su alta caída de presión. Al igual que las válvulas de compuerta, pueden estar realizadas en diversos materiales (bronce, hierros, aceros, plásticos, etc.).

Ventajas

Se pueden utilizar para apertura o cierre total, o para regulación.Controlan muy bien la circulación de los fluidos.Cierre bastante hermético. El accionamiento se produce con pocas vueltas reduciendo así el desgaste del eje y el tiempo para su apertura, cierre o regulación. Se puede utilizar para fluidos corrosivos y erosivos. Se pueden emplear frecuentemente ya que no sufren prácticamente desgaste por rozamiento con el fluido.

Inconvenientes

Son relativamente caras.Tienen una alta caída de presión.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierros diversos, aceros diversos, aleaciones especiales, plásticos.



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En el interior del cuerpo tiene un disco obturador cuya función es girar alrededor de un eje diametral o tangencial al disco, cuando es accionada, abriendo, cerrando o regulando el paso del fluido. Un volante o una palanca de ¼ de vuelta es el encargado de mover el disco. El eje y el asiento de la válvula se encuentran situados sobre el cuerpo de esta.

Válvula de mariposa

Volante

Asiento

Cuerpo

Disco

Recuerde

Las válvulas de mariposa se utilizan para abrir, cerrar o regular conducciones de fluido mediante un disco obturador que gira alrededor de un eje accionado por un volante o una palanca de un ¼ de vuelta. Se caracterizan por sus pocas piezas móviles y su accionamiento rápido, sin embargo, este accionamiento necesita de mucha fuerza para ejecutarse.

200 |


Válvula de diafragma

Las válvulas de diafragma, que se denominan también válvulas de membrana, son en realidad una variante de la válvula de globo o asiento.


Tienen múltiples vueltas y llevan a cabo el cierre de la válvula me-diante un diafragma flexible unido a un elemento que lo comprime.


Tipo de cuerpo y asiento. Tipo de accionamiento.Tipo de conexión en los extremos.Temperatura y presión de funcionamiento.Materiales.

Ventajas

Se pueden utilizar para apertura o cierre total, o para regulación.Tienen un coste bajo.Se pueden emplear para grandes diámetros.Se pueden utilizar frecuentemente.Provocan pequeñas pérdidas de carga o rozamiento con el fluido, tanto abiertas totalmente como entreabiertas.Tienen pocas piezas móviles.Tienen un accionamiento rápido y son muy adecuadas para ser ejecutadas automáticamente.Apenas necesitan mantenimiento y no precisan ser limpiadas.Cierre bastante hermético.

Inconvenientes

Se utilizan para bajas presiones. Pueden producir cavitación.Necesitan mucha fuerza para ser accionadas.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierros diversos, aceros diversos, aleaciones especiales, plásticos.Disco: bronce, hierros diversos, aceros diversos, aleaciones especiales, metales revestidos de elastómeros, plásticos.


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Cuando se cierra la válvula girada manualmente por medio de un vo-lante, el vástago hace descender el elemento compresor, que compri-me el diafragma (obturador) que es flexible, y lo desplaza hacia abajo produciendo el corte o regulación del fluido. El diafragma u obturador está formado por una membrana elástica que es muy flexible y que permite un cierre muy hermético.

Válvula de diafragma

Aguas arriba

Aguas arriba

Aguas abajo

Aguas abajo

Válvula cerrada Válvula abierta


Tipo de vástago y de tapa.Tipo de accionamiento.Tipo de conexión en los extremos. Presión y temperatura de funcionamiento. Materiales.

Ventajas

Se pueden utilizar para apertura y cierre total, o para regulación.Cierre bastante hermético.Se pueden emplear con fluidos corrosivos, abrasivos o con sólidos.Tienen un coste bajo.Pérdidas de carga muy pequeñas.No utilizan empaquetadura.

Inconvenientes

Se necesita mucha fuerza para cerrarlas con la conducción llena.No deben utilizarse para instalaciones de vacío o de aspiración.La membrana se puede desgastar. Se utiliza con caudales a bajas presiones.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierros diversos, aceros diversos, aleaciones especiales, plásticos.

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Válvula rotatoria

Es el elemento de cierre más simple y antiguo, ya que solamente cons-ta de un cuerpo y un obturador. Existen dos variantes, de macho o de bola, en función de si el elemento rotatorio por donde circula el fluido tiene forma cónica o esférica, respectivamente. Pero su funcionamiento es el mismo.

Válvula de macho

Desde el punto de vista de la descripción funcional y mecánica está formada por el cuerpo y un elemento rotatorio cilíndrico o cónico denominado macho de ¼ de vuelta. Este está perforado y puede reali-zar un giro de 90º alrededor de su eje al accionarse con una llave para dejar libre (el fluido pasa por zona perforada) o impedir el paso del fluido a través del cuerpo.

Se pueden construir para dos, tres o cuatro vías (o conducciones), y estas dos últimas se utilizan para la mezcla o reparto de flujos. Su ac-cionamiento se puede llevar a cabo mediante llave o mediante palanca.

Recuerde

Las válvulas de diafragma se utilizan para abrir, cerrar o regular conducciones de fluido, mediante un diafragma y un elemento compresor que desplaza el diafragma cuando el vástago hace descender el elemento compresor, debido al giro del volante. Se caracterizan porque no utilizan empaquetadura y tienen pérdidas de carga pequeñas.


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Válvula rotatoria de macho


Tipo de macho.Si tiene varios orificios, disposición de estos.Presión y temperatura de funcionamiento. Materiales.

Ventajas

Se puede utilizar para grandes caudales de fluido.Cierre bastante hermético. Tienen un accionamiento rápido.Tienen un coste bajo.Se pueden emplear con fluidos corrosivos, con sólidos en suspensión y líquidos pastosos.Se pueden accionar frecuentemente.En posición totalmente abierta tienen pocas pérdidas de carga.Apenas necesitan mantenimiento y no precisan ser limpiadas.

Inconvenientes

No tienen buenas características para la regulación.Pueden producir cavitación.Necesitan mucha fuerza para accionarse.El asiento se puede desgastar.Si se utilizan para vapor o agua, no deben ser utilizadas frecuentemente.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierros diversos, aceros diversos, aleaciones especiales, plástico, níquel, camisa de plástico.

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Válvula de bola

En su descripción funcional y mecánica está formada por el cuerpo y una bola rotatoria taladrada de ¼ de vuelta. Esta gira entre sus asientos elásticos permitiendo la conducción del fluido en la posición abierta, es decir, cuando el fluido se encuentra con la perforación, y cortando el paso cuando la palanca se gira 90º, no encontrándose el fluido con la perforación. La bola es un obturador esférico perforado que puede girar alrededor del eje y dentro del cuerpo al mover la palanca.

Bola de una válvula rotatoria de bola


Tipo de orificio en la bola.Presión y temperatura de funcionamiento.Materiales.

Ventajas

Tienen un accionamiento rápido.Se pueden accionar frecuentemente.En posición totalmente abierta tienen pocas pérdidas de carga.Se pueden utilizar para grandes caudales de fluido.Apenas necesitan mantenimiento y no precisan ser limpiadas.Se puede utilizar con fluidos corrosivos, con sólidos en suspensión y líquidos pastosos.No necesitan lubricación.Tienen un coste bajo.Cierre bastante hermético.



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Válvulas especiales: fuelle, electroválvulas, alta temperatura, criogénicas, altas presiones

Casi todas las instalaciones de tuberías requieren válvulas especiales des-tinadas a un tipo de servicio concreto, y existen en el mercado diversos tipos que se describen a continuación.

Válvulas con fuelle

El fuelle o sello de fuelle es un sellado con una eficacia mucho mayor que la empaquetadura utilizada normalmente, aunque a este también le acompaña un estopero o caja de empaquetadura con su empaque. En ocasiones tienen un detector de fugas que avisa en caso de fallo del fuelle.

Inconvenientes

No tienen buenas características para la regulación.Necesitan mucha fuerza para accionarlas.Pueden producir cavitación.El asiento y la empaquetadura se pueden desgastar.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierros diversos, aceros diversos, aleaciones especiales, plástico.


Recuerde

Las válvulas rotatorias se utilizan para abrir y cerrar conducciones de fluido, mediante un macho o una bola perforada y rotatoria que gira 90 grados alrededor de su eje cuando es accionado por una palanca de ¼ de vuelta. Se caracterizan por su accionamiento rápido y porque se pueden accionar frecuentemente. Como mayor inconveniente destaca que no son demasiado efectivas para regulación.

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Las válvulas de fuelle son variaciones o modificaciones que sufren alguna de las válvulas como son las de compuerta o globo. Tienen el mismo funcionamiento pero se caracterizan por disponer de un fuelle metálico para su mejor sellado o estanqueidad. Su función es formar una barrera entre el obturador y la unión del cuerpo y la tapa de la válvula. La mejor opción es que esté soldado al vástago.

Válvula de globo con fuelle

Nota

El único inconveniente que tienen los fuelles es que no resisten bien las presiones altas, por lo que en esas situaciones se suelen montar fuelles más anchos o un fuelle doble.


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Electroválvulas

La electroválvula o válvula electromagnética es una válvula electrome-cánica que permite el paso del fluido al aplicarle una corriente eléctrica. No se las debe confundir con las que se accionan por medio de un motor

Especificaciones de pedido para el fuelle

Características especiales (válvula con fuelle).Material del fuelle.

Ventajas

Tiene una estanqueidad absoluta.Elimina las pérdidas por fugas.No precisa ningún tipo de mantenimiento.Se pueden utilizar para las válvulas todo o nada y para las de regulación.Muy útil para fluidos tóxicos, radioactivos, inflamables o explosivos.

Inconvenientes

El fuelle es el punto más débil del sistema.Tiene una duración variable, en función de su diseño.La presión y la temperatura máxima están limitadas por el diseño del fuelle.

Materiales

El fuelle generalmente está fabricado en acero inoxidable, aunque también se pueden utilizar otros materiales como hierro, aleaciones especiales, y otros tipos de acero.

Recuerde

Las válvulas de fuelle se caracterizan por tener un fuelle alrededor del vástago para su mejor sellado o estanqueidad. Su función es formar una barrera entre el obturador y la unión del cuerpo y la tapa de la válvula. Suelen fabricarse generalmente en acero inoxidable, aunque se pueden utilizar otros materiales como hierro o aleaciones especiales.

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eléctrico o actuador. Se utiliza en la industria química para controlar el caudal en todo tipo de fluido.


Una electroválvula está formada por una válvula con un diafragma, un muelle, y un solenoide.

Cuando no pasa electricidad por el solenoide, el diafragma, que es elástico, se encuentra cerrado debido a que encima de este hay un muelle que empuja hacia abajo no con mucha fuerza, ya que no depende de el para continuar cerrado.

En el diafragma, en el lado de la tubería de entrada de fluido, exis-te un pequeño orificio que deja pasar un pequeño caudal de líquido o gas desde la tubería a la zona superior del diafragma hasta que se llena toda la cavidad que está justo por encima del diafragma. Enton-ces, la presión por encima del diafragma y por debajo en la tubería de entrada de fluido es la misma, aunque en la parte de arriba hay más superficie de fluido que en la de abajo, por lo que el fluido ejerce más presión hacia abajo sellando aún más el diafragma, y por tanto, la entrada de fluido desde la tubería.

Definición

Solenoide Es una bobina que tiene forma de tubo recto que crea un campo magnético uniforme cuando circula por ella una corriente eléctrica, desapareciendo el campo magnético cuando cesa esa corriente. Es decir, un solenoide es un electroimán.


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El conducto que sale de la zona superior del diafragma y que llega hasta la tubería de salida está tapado o bloqueado con un elemento del solenoide que es empujado hacia abajo mediante un muelle. Cuando se manda una señal eléctrica al solenoide, este se activa haciendo su-bir el muelle y permitiendo pasar el fluido a través del conducto hacia la tubería de salida. De esta manera se reduce la presión del fluido en la zona superior del diafragma, y por tanto, este se levanta por la pre-sión ejercida por el fluido desde la tubería de entrada, y permitiendo así el paso del fluido a través del diafragma.

Cuando deje de pasar electricidad por el solenoide, este se desac-tiva, bloqueándose el conducto. Entonces, el muelle baja el diafragma pero sin demasiada fuerza, ya que la fuerza principal para que este continúe cerrado la hace el fluido con que se llena la zona superior del diafragma a través del orificio.

Por tanto, el solenoide transforma la corriente eléctrica en energía magnética, y esta a su vez en energía mecánica para abrir o cerrar el pequeño conducto descrito anteriormente.


Tensión de alimentación.Presión de apertura de la electroválvula.Tipo de conexión en los extremos.Presión y temperatura de funcionamiento. Materiales.

Ventajas

Se puede utilizar tanto para apertura y cierre, como para regulación.Regulación muy exacta.No tiene apenas mantenimiento.El accionamiento de la válvula se puede controlar desde distancia.Baja pérdida de carga.


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Inconvenientes

Depende de los elementos de control.Coste alto.Bastante delicados para ambientes húmedos o corrosivos.

Materiales

Cuerpo: bronce, latón, latón niquelado.Partes internas: acero inoxidable.


Electroválvula cerrada y abierta

OrificioMuelleDiafragma

Zona de bloqueo del senoide

Recuerde

Las electroválvulas se caracterizan porque son válvulas electromagnéticas con un diafrag-ma, un muelle, y un solenoide que permiten el paso del fluido al aplicarle una corriente eléctrica a este último elemento. Son muy buenas para la regulación de los fluidos, sin embargo son bastante costosas y poco adecuadas para ambientes húmedos o corrosivos.


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Válvulas para altas temperaturas

Son aquellas válvulas que tienen en el bonete aletas disipadoras de calor que se utilizan para procesos con alta temperatura.


Las válvulas para altas temperaturas son variaciones de válvulas como las de compuerta o globo. Su única modificación consiste en la forma de su bonete para que el dispositivo pueda trabajar a altas temperaturas.

Válvula con bonete y aletas

Nota

Se caracteriza por tener un bonete con aletas para enfriar o disipar el calor de la em-paquetadura. Además los materiales de la válvula deben resistir las temperaturas de funcionamiento que pueden ser mayores de 400 ºF.

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Válvulas criogénicas

Se suelen utilizar en el transporte de fluidos criogénicos, es decir, líquidos que se encuentran a temperaturas de -195,79 ºC o inferiores, como el hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, argón, etc., en estado líquido, es decir, a altas presiones y bajas temperaturas.


Las válvulas criogénicas también son variaciones de las de com-puerta, globo o mariposa. A estas se le han modificado algunos ele-mentos mecánicos para poder adaptar la válvula a las bajas tempera-turas de los líquidos criogénicos.

Especificaciones de pedido para la aleta

Características especiales (bonete con aleta disipadora de calor).

Ventajas

Trabajar con fluidos a altas temperaturas (mayores de 400 ºF).

Inconvenientes

Elevado costo.

Materiales

Cuerpo y bonete: aceros diversos y aleaciones especiales.

Recuerde

Las válvulas para altas temperaturas se caracterizan por tener en el bonete aletas para enfriar o disipar el calor de la empaquetadura. Como su principal ventaja destaca que pueden trabajar con fluidos a temperaturas superiores a 400 ºF. Como inconvenientes cabe destacar que son muy caras.


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Su característica principal es que el bonete o tapa de la válvula tiene una extensión alargada con forma de tubo de pared delgada, normalmente de acero inoxidable, y en su interior tiene una caja de empaquetadura que se encuentra en la parte superior del bonete. Esta forma alargada se utiliza para proteger el empaque, y el dispositivo mecánico para mover la válvula (actuador), previniendo la acumula-ción de hielo que puede evitar el movimiento del vástago y afectar a la efectividad del dispositivo. El vástago también es extendido.

Válvula de globo criogénica


Características especiales (válvula criogénica).

Ventajas

Pueden trabajar a muy bajas temperaturas.Pueden trabajar a altas presiones.

Inconvenientes

Elevado costo.

Materiales

Cuerpo y bonete: bronce, aceros diversos, aleaciones especiales.

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Válvulas para altas presiones

Son aquellas válvulas denominadas de sello a presión o contra presión que se utilizan para procesos con estas características, por ejemplo, vapor de alta presión.


Las válvulas de sello también son variaciones de las de compuerta o las de globo. A estas se le han modificado algunos elementos para que la válvula pueda trabajar a altas presiones. Se caracteriza por te-ner una empaquetadura de alta calidad denominada sello de presión que hace el interior de la válvula mucho más hermético.

Recuerde

Las válvulas criogénicas se caracterizan por tener el bonete y el vástago una extensión alargada con forma de tubo de pared delgada y la caja de empaquetadura se encuentra en la parte superior del bonete. Trabajan a muy altas temperaturas y bajas presiones, sin embargo, son bastante caras.

Válvula de sello a presión

Sello de presión


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Nota

Este sello se trata de una pieza anular relativamente fina entre el cuerpo y el vástago de la válvula. Además los materiales de la válvula deben resistir las presiones de funcionamiento.

Especificaciones de pedido para el sello a presión

Características especiales (válvula de sello a presión).Tipo de sellado.Material de sellado.

Ventajas

Resisten presiones muy altas.

Inconvenientes

Elevado costo.

Materiales

Cuerpo y bonete: aceros diversos y aleaciones especiales.Sellos: elastómeros, teflón.

Recuerde

Las válvulas para altas presiones se caracterizan por tener un sello de presión, que es una empaquetadura de alta calidad mucho más hermética que la habitual. Como ventaja indiscutible es que resisten presiones muy elevadas, como desventaja destaca su elevado coste, al igual que en el caso de las válvulas criogénicas o electroválvulas.

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3.4. Válvulas con funciones especiales. Descripción funcional y mecánica. Especificaciones de pedido. Ventajas e inconvenientes. Materiales

Las válvulas con funciones especiales son, además de las electroválvulas, válvula de fuelle, válvulas de seguridad, etc., las válvulas de retención.

Válvula de retención. Clasificación. Pistón. Bola. Clapeta

Las válvulas de retención son dispositivos instalados en las conducciones de fluidos que permiten el paso de estos en un sentido, pero que impiden su retroceso posterior, ya que se cierran automáticamente cuando intentan retor-nar. Por eso se denominan también válvulas de no retorno o antiretorno.

La denominación de los distintos tipos de válvulas de retención depende del elemento incorporado para retener o impedir el retroceso del fluido, y se clasifican en bola, pistón y clapeta.

Bola

Se utiliza como elemento para impedir el retroceso una bola o una esfera.


Se trata de una simple ventosa colocada en forma invertida. La bola se mueve libremente a lo largo del cuerpo cuando es arrastrada por la presión, escondiéndose lateralmente, y dejando libre el paso del fluido. En funcionamiento genera una obstrucción mínima al paso de este, ya que la bola queda escondida totalmente. Se cierra cuando la presión del fluido es baja, y la bola vuelve a su sitio, asentada sobre un anillo de goma especial.

Se trata de la válvula de retención que tiene menos piezas, sola-mente tres: el cuerpo, la bola y la tapa. La bola debe ser resistente y no deformable. Debe estar recubierta de goma para dar estanqueidad y que se pueda cerrar paulatinamente. El peso de la bola depende de


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la presión a la que se utilice, por ejemplo, para altas presiones la bola debe ser más pesada de lo normal para disminuir el golpe de ariete.

Nota

El golpe de ariete es el cambio de presión que ocurre al cambiar súbitamente la velocidad de un líquido. Cuando el fluido circula en sentido contrario, la válvula de retención se cierra bruscamente, lo que provoca un choque del fluido contra la bola, comprimiéndose y expandiéndose hacia atrás y hacia los lados. Esto puede provocar roturas o deterioro de las conducciones.

Válvula de retención de bola


Tipo de conexión en los extremos.Presión y temperatura de funcionamiento.Materiales.

Ventajas

Se puede utilizar para fluidos limpios y fluidos sucios o con sólidos.Se pueden colocar en cualquier posición: horizontal y vertical, para ambos sentidos, dependiendo del peso de la bola.


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Pistón

Se utiliza como elemento para impedir el retroceso un pistón.


Se trata de una válvula de retención con un dispositivo amortigua-dor consistente en un pistón y un cilindro que genera un efecto de compresión elástica durante la operación. El funcionamiento es muy simple, cuando circula el fluido en el sentido correcto, de abajo hacia arriba, como en las válvulas de bola, este choca con el disco del pistón moviéndolo ascendentemente y permitiendo el paso de este. Cuando el fluido retrocede se coloca encima del pistón haciendo que se cierre debido al peso del mismo.

Inconvenientes

No se debe utilizar para diámetros superiores a 200 mm.Su cierre no está amortiguado, por lo que puede causar un golpe importante, y en ocasiones peligroso. Puede presentar golpe de ariete.Si la presión a que cierra es alta puede hacer reventar la válvula con facilidad.El coste aumenta exponencialmente al aumento de su diámetro.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierros diversos, aceros diversos, aleaciones especiales, fundición nodular al níquel.Bola: metal recubierto de goma.



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Clapeta

En este tipo de válvula de retención se utiliza como elemento para impedir el retroceso del fluido una clapeta, es decir, una especie de com-puerta o disco que bascula sobre un eje de fijación.

Válvula de retención de pistón


Tipo de conexión en los extremos.Presión y temperatura de funcionamiento.Materiales.

Ventajas

Mecanismo simple.Caídas de presión altas.Apropiada para flujos pulsantes.Indicada para vapores y agua.Cierre amortiguado por lo que no presenta problemas de golpe de ariete.Admiten velocidades de flujo altas a presiones elevadas.

Inconvenientes

No se utiliza para tamaños mayores de 400 mm de diámetro.No se recomienda para flujos que produzcan depósitos sólidos.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierros diversos, aceros diversos, aleaciones especiales, plástico o composites.

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La clapeta se levanta por la acción de la presión del fluido aproxi-madamente 90º y permanece así hasta que el fluido deja de circular. Cuando deja de circular fluido o cuando este circula en sentido con-trario la clapeta se cierra. Su cierre suele ser muy brusco, produciendo un fuerte golpe.

La clapeta es el obturador en este tipo de válvulas, y al entrar el fluido oscila alrededor de su eje. Algunas válvulas disponen de palan-ca para el accionamiento manual de la clapeta.

Válvula de retención de clapeta oscilante cerrada y abierta


Tipo de clapeta.Tipo de conexión en los extremos.Presión y temperatura de funcionamiento.Materiales.

Ventajas

Resistencia mínima al flujo. No requiere mantenimiento.



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3.5. Válvula de seguridad

En las plantas químicas hay multitud de procesos donde aparecen vapores o gases a altas presiones. Estos pueden provocar explosiones, y por tanto, graves daños a las personas, equipos e instalaciones cuando se encuentren ubicados en lugares diseñados para presiones inferiores a las alcanzadas por estos fluidos.

Para prevenir y evitar estos problemas en las instalaciones y equipos es ne-cesario instalar válvulas de seguridad, para así poder limitar la presión en los dispositivos e instalaciones.

Inconvenientes

El cierre brusco puede ser peligroso para las tuberías u otros elementos adyacentes. Puede presentar problemas de golpe de ariete.Normalmente se utiliza para servicios a baja velocidad y presión.No se emplea en conducciones con flujo pulsante. No tienen cierre hermético.Se utiliza para conducciones con diámetros pequeños.

Materiales

Cuerpo: bronce, hierros diversos, aceros diversos, aceros aleados, plástico o composites.


Recuerde

Las válvulas de retención pueden ser de tipo bola, si utiliza una esfera como elemento para impedir el retroceso del fluido, pistón, si utiliza un pistón y un cilindro, o clapeta, si utiliza una compuerta que bascula sobre un eje de fijación. Los tres tipos pueden fabricarse en dis-tintos materiales como el bronce, hierros diversos, aceros diversos, plásticos o composites.

222 |


Algunos equipos e instalaciones en los que se instalan son calderas de vapor, calderas de agua caliente, tuberías a presión, sobrecalentadores, reca-lentadores, depósitos a presión, etc.

Por consiguiente, las válvulas de seguridad son fundamentales en cualquier planta química, ya que son elementos imprescindibles de seguridad y exigidos reglamentariamente. Por ello es necesario entender muy bien su funciona-miento y todas sus limitaciones.

Las válvulas de seguridad cumplirán las disposiciones constructivas y de calidad recogidas en la Norma UNE-9-100-86.

Para entender mejor todos los conceptos se deben conocer algunos térmi-nos muy utilizados en el uso de este tipo de válvulas:

Nota

Por tanto, estas válvulas se montarán en las instalaciones o equipos para evitar un aumento excesivo de la presión del fluido en ellos contenido.

Definición

Válvula de seguridadEs una válvula cuya función es evacuar el fluido necesario para no sobrepasar la presión de tarado del equipo o instalación que protege.


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Descripción funcional y mecánica. Especificaciones de pedido. Ventajas e inconvenientes. Materiales

Para tener un buen conocimiento sobre las válvulas de seguridad es nece-sario conocer su funcionamiento y los elementos que lo forman, junto con sus materiales, ventajas e inconvenientes y sus especificaciones de pedido.


Las válvulas de seguridad son equipos, normalmente un recipiente, que se caracterizan por estar diseñados para abrir y aliviar un equipo o instalación (sistema) al aumentar la presión de un fluido por encima de un valor fijado (presión de tarado) por causas anormales o de emergencia. El alivio se produce dejando salir parte del fluido hasta que se restablezca la situación en su interior, es decir, que la presión en el sistema sea inferior a la presión de tarado. Entonces se cierra la válvula y está lista para volver a funcionar.

El disco de cierre u obturador de la válvula de seguridad se encuentra cerrado por la presión que ejerce sobre el un muelle, esta presión ejerci-da por el muelle es la presión de tarado. Para poder abrirse la válvula de seguridad y aliviar el sistema, la presión en este debe ser superior a la de tarado, para así poder vencer la fuerza ejercida por el muelle sobre el obturador.

Presión de tarado o precinto

Presión a la cual se abre la válvula para aliviar el sistema.

SobrepresiónIncremento de presión que se produce por encima de la presión de tarado cuando la válvula se encuentra completamente abierta.

Presión de cierrePresión a la cual se cierra la válvula cuando ya no exista la causa que motivó su apertura, es decir, cuando la presión sea menos que la de tarado.

Escape Es la diferencia existente entre la presión de tarado y la de cierre.

Presión de trabajoEs la presión normal a la que trabaja el equipo o la instalación a proteger, es decir, el sistema a proteger.

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Si la presión del sistema es algo superior a la fuerza ejercida por el muelle se levanta el obturador o disco de cierre, saliendo el fluido y libe-rando presión del sistema. Si las condiciones cambian después de liberar-se presión, bajando la presión por debajo de la presión de tarado, el disco, y por tanto, la válvula se cierra.

Fuerzas en el disco de cierre en una válvula de seguridad

F

P

Diagrama de evolución de la presión en la apertura y cierre de una válvula de seguridad

Presiones

Presión de tarado o precinto

Presión de trabajo

Sobrepresión

Presión de cierre

Escape

Tiempo

Importante

Cuando se cierra lo hace con una presión algo inferior a la presión de tarado.


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Elementos o partes principales (despiece mecánico). Compatibilidad de los materiales de construcción con el proceso. Montaje. Instalación. Mantenimiento

Para conocer las válvulas de seguridad y entender bien su funcionamiento es necesario conocer y situar los diferentes elementos o partes principales, saber cómo se realiza el montaje e instalación y el mantenimiento, y tener algunas nociones sobre la compatibilidad de los materiales con el proceso.

Elementos o partes principales (despiece mecánico)

Una válvula de seguridad puede estar constituida por gran cantidad de elementos, siendo los más importantes:

1. Cuerpo.2. Cúpula o arcada.


Tipo y tamaño.Rango de presiones.Tipo de conexiones.Materiales.

Ventajas

Mecanismo simple.Existe una amplia variedad.Bajo costo.

Inconvenientes

En algunas ocasiones son difíciles de regular.

Materiales

Cuerpo y cúpula: bronce, hierros diversos, aceros diversos, aceros aleados, aleaciones especiales, camisa de polímero fluorado, vidrio y polímeros fluorados.Resorte: acero al carbono y aleaciones de acero.Asiento y vástago: bronce, aceros diversos, aleaciones de acero, camisa de polímero fluorado y polímeros fluorados.Disco de cierre: acero inoxidable y bronce.

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3. Caperuza.4. Tobera.5. Asiento.6. Disco de cierre u obturador.7. Anillo de ajuste.8. Tornillo de fijación del anillo de ajuste.9. Deflector.

10. Tapa guía.11. Vástago.12. Resorte.13. Precinto.14. Tensor.15. Palanca de apertura manual.16. Orificio de purga.

Compatibilidad de los materiales de construcción con el proceso

Los materiales deben ser adecuados a las condiciones de trabajo en el recipiente o sistema, es decir, a la presión y temperatura de trabajo, y a las características de fluido, como, por ejemplo, si es corrosivo.

Elementos de una válvula de seguridad

13

9

5

1

14

10

6

2

15

T

T

11

7

3

16

12

8

4


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Los materiales cumplirán las disposiciones constructivas y de calidad de recogidas en la norma UNE-EN-ISO-9-100-86.

Los materiales que normalmente se utilizan para su fabricación, aun-que existen muchos otros, son:

Cuando los fluidos sean corrosivos se deben utilizar materiales espe-ciales para revestir los elementos metálicos como el cuerpo y el asiento, por ejemplo, con polímeros fluorados que también tienen una elevada resistencia mecánica.

Las válvulas deben estar fabricadas de tal manera que la rotura de alguno de sus elementos o partes no impida u obstruya la descarga del fluido a presión.

Elemento de la válvula de seguridad Material

Cuerpo y cúpula o arcada

Hierro fundido para presiones bajas-medias y temperaturas bajas-medias.Acero al carbono fundido y fundición nodular para altas presiones y temperaturas medias-altas.Acero aleado para muy altas temperaturas.

Asiento y vástago Acero inoxidable o aleaciones equivalentes.

ResortePara bajas temperaturas acero al carbono.Para altas temperaturas acero aleado.

Disco de cierre Acero inoxidable forjado.

Nota

Se deben tener en cuenta tanto las grasas y los depósitos sólidos, como la expansión y contracción con las diferencias de temperatura. Esto puede perjudicar a las partes móviles de la válvula como son el disco de cierre y el vástago.

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Montaje e instalación

El montaje corresponde a la colocación en sí de la válvula, y la ins-talación a todo lo demás, conducciones de entrada y salida a la válvula, equipo o instalación a proteger, etc.

Tanto el montaje como la instalación de una válvula de seguridad son aspectos muy importantes debido a que si estos no se llevan a cabo co-rrectamente pueden provocar un mal funcionamiento de esta. Esto puede desencadenar, por una lado, que se estropee, y por otro, que no realice su función tal y como está diseñada.

Como se sabe, las válvulas de seguridad están planteadas para aliviar la presión en condiciones de altas presiones que no puedan ser soportadas por los equipos o instalaciones. Un mal funcionamiento de estas válvulas puede provocar daños muy importantes sobre estos equipos e instalacio-nes o sobre los trabajadores que se encuentren en las proximidades. Por tanto hay que tener especial cuidado en el montaje e instalación, y ha-cerlo correctamente.

Válvula de seguridad


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Para ello se deben tener en cuenta algunos aspectos:

� Hay que revisar que la presión que aparece en la placa de la válvula es la necesaria para proteger la instalación.

� Cualquier compartimento estanco independiente de cualquier equi-po o instalación que esté a presión debe tener al menos una válvula de seguridad.

� La instalación debe realizarse en la zona superior del equipo o ins-talación, es decir, en la zona de vapor o gas, o en una conducción conectada a esta zona.

� Comprobar las condiciones de la instalación del lugar donde se va a ubicar. Por ejemplo, no se deben instalar válvulas de seguridad a continuación de los caudalímetros, ya que si la válvula se encuentra aliviando fluido, la medida de caudal no va a ser real.

El montaje y la instalación se deben llevar a cabo tal y como indique el fabricante en su manual de montaje e instalación. Estos trabajos deben ser supervisados por personal responsable y competente en la materia.

La válvula de seguridad se suministra tarada por el fabricante a la pre-sión de tarado requerida y con su precinto, ya que el tarado solo puede ser realizado por empresas y organismos acreditados.

Importante

Previamente al montaje e instalación hay que asegurarse que las características de la válvula de seguridad son adecuadas para desempeñar la función de protección de los equipos o instalaciones que trabajan normalmente a alta presión.

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Normalmente se lleva a cabo el montaje e instalación siguiendo los siguientes pasos:

1. Montar las válvulas de seguridad sobre conexiones o conducciones planas o tubulares.

2. Limpiar las conducciones e instalación para que no hayan restos de suciedad y partículas.

3. Asegurarse de que el resorte de la válvula quede en posición vertical.4. En las uniones de conducciones y accesorios no se debe colocar

teflón en exceso.5. La conducción de acceso, desde el equipo o instalación a proteger

a la válvula de seguridad, debe ser lo más corta posible, y no tener ninguna reducción ni ninguna válvula de interrupción.

6. La conducción de acceso a la válvula tendrá un diámetro igual o mayor a esta.

7. La conducción de salida de la válvula, que será la línea de descarga o escape de la válvula de seguridad, se debe instalar de forma que no transmita vibraciones ni esfuerzos a la válvula.

8. Esta conducción debe ser lo más corta y directa posible, y no ten-drá tampoco ningún tapón, válvula de interrupción, reducciones ni accesorios.

9. Esta conducción debe ser independiente y tener su salida en un lugar donde no genere ningún tipo de riesgo o peligro sobre los tra-bajadores o sobre las instalaciones.

10. El diámetro interior de esta conducción debe ser al menos el mismo que el de la brida que tiene la válvula de seguridad en el lado de salida.

Nota

En el tarado se fija la presión de este y se precinta para impedir su posterior manipulación por personas no competentes.


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11. Si esta conducción se instala con salida vertical hacia arriba, debe tener en su punto más bajo una purga.

12. Durante el montaje de la válvula se debe hacer un apriete uniforme de los pernos.

13. Si se instalan varias válvulas de seguridad, las secciones de las con-ducciones deben ser la suma de las secciones de las válvulas que se monten en ellas.

14. Después de la instalación, con un manómetro calibrado, se debe verificar que no existen fugas en las conexiones de entrada y salida a la válvula de seguridad.

15. Se debe comprobar su buen funcionamiento subiendo la presión del sistema por encima de la presión de tarado, y reduciendo después la presión por debajo de la presión de tarado para comprobar que la válvula abre y cierra correctamente.

Mantenimiento

Se debe realizar el mantenimiento preventivo de las válvulas de segu-ridad de los equipos e instalaciones siguiendo las indicaciones del fabri-cante aportadas en el manual de instrucciones, en la parte de manteni-miento. Con ello se reducirá el número de accidentes y de problemas en la instalación que pueden ocurrir por el deficiente funcionamiento de las válvulas de seguridad.

Recuerde

En la instalación de las válvulas de seguridad se debe hacer especial hincapié en que las conducciones de entrada y salida, que deben tener el mismo diámetro que esta, deben ser directas, sin reducciones, lo más cortas posibles, sin válvulas de interrupción, y deben tener los mínimos accesorios posibles. La salida de la línea de descarga tiene que estar en un lugar donde no genere ningún riesgo ni para trabajadores ni para instalaciones.

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El mantenimiento preventivo consiste en comprobaciones periódicas del buen funcionamiento de las válvulas de seguridad por parte del usua-rio de estas y de una revisión periódica a fondo por parte de su fabricante o empresa especializada de mantenimiento.

Estas normalmente pueden llevarse a cabo de dos formas, una es subir cuidadosamente la presión del sistema a un valor algo superior al de la presión de tarado y luego bajarlo para comprobar el buen funcionamien-to de apertura y cierre de la válvula, y la otra se puede llevar a cabo en las válvulas de seguridad con palanca de apertura manual, y consiste en accionar esta y soltar rápidamente, aliviando caudal de fluido para com-probar que no está clavada y que abre y cierra sin ningún inconveniente. Esto último normalmente se hace a una presión del sistema definida por el fabricante que suele ser el 75% de la presión de tarado. Impedientemente

Válvula de seguridad instalada y en funcionamiento

Nota

Las comprobaciones periódicas del buen funcionamiento de las válvulas de seguridad, las indicará el fabricante en su manual, algunos indican cada seis meses.


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a estas comprobaciones periódicas, también se deben hacer inspecciones visuales del funcionamiento de la válvula de seguridad de forma habitual.

La revisión periódica a fondo por el fabricante o empresa especializada de mantenimiento se produce normalmente cada año. Durante la revisión se comprueba su funcionamiento, se sustituyen los elementos defectuo-sos, deteriorados o que hayan perdido sus características, y se limpia el interior de la válvula de sustancias extrañas. Después se vuelve a tarar y a precintar. Para realizar esta revisión periódica, antes de desmontar una válvula de seguridad, se debe comprobar previamente que el sistema se ha quedado sin presión. Y posteriormente, cuando se vuelva a montar, se deberá comprobar su buen funcionamiento, verificando de nuevo la aper-tura o disparo de la válvula a la presión de precinto.

Además, también se tendrán en cuenta las actuaciones establecidas para el control de las válvulas de seguridad.

Tipos de válvulas y funcionamiento: de apertura instantánea, de alivio de presión, de actuación directa, de actuación indirecta, de seguridad sencilla, de seguridad doble o múltiple

Las válvulas de seguridad se pueden clasificar en función de la elevación del disco de cierre u obturador, en válvulas de seguridad de apertura instan-tánea o válvulas de alivio de presión. También, en función de su actuación o

Recuerde

El mantenimiento de una válvula de seguridad se puede hacer mediante comprobaciones periódicas e inspecciones visuales por parte del usuario de las válvulas de seguridad, o mediante la revisión periódica anual que realiza normalmente el fabricante o una empre-sa especializada de mantenimiento. Hay que tener en cuenta que en algunos casos, los fabricantes recomiendan una revisión cada seis meses.

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medio de accionamiento, en válvulas de actuación directa o indirecta. Y por último, en función de su agrupación, en válvulas de seguridad sencilla, doble o múltiple.

Válvula de apertura instantánea

Se caracteriza porque cuando la presión del sistema supera la de tara-do, el disco de cierre se abrirá repentina, rápida y totalmente.

Esto es debido a que este tipo de válvulas se fabrican de manera que al abrirse el disco de cierre se produce un incremento del área de contac-to del disco con la presión del sistema, y cuando está cerrado, las zonas exteriores del disco no están en contacto con la presión de este. Cuando la presión del sistema sea algo superior a la presión de tarado, y se abra un poco el disco, la superficie del disco en contacto con la presión del sis-tema aumentará mucho. Si se tiene en cuenta que la presión es la fuerza por unidad de superficie, y por tanto, la fuerza es la presión multiplicada por la superficie, entonces, la fuerza ejercida por la presión del sistema aumentará rápidamente y, por tanto, se abrirá el disco rápida y totalmente.

Válvula de seguridad de apertura instantánea


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Válvula de alivio de presión

Se caracteriza porque en este tipo de válvula se produce una apertura proporcional a la diferencia de presiones entre la presión del sistema y la de tarado cuando la primera sea superior a la segunda.

En el diseño de este tipo de válvulas de seguridad, la superficie del disco en contacto con la presión del sistema no aumenta al abrir el disco, es la misma, por lo que la fuerza con la que se abre el disco de la válvula de seguridad solo dependerá de esta diferencia de presiones.

Importante

Este tipo de válvula se utiliza normalmente para fluidos que se encuentran sometidos a cambios de presión.

Válvula de seguridad de alivio de presión

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Válvula de actuación directa

Una válvula de actuación o acción directa es cualquiera de las dos que se acaban de estudiar, es decir, aquella que sufre la presión del fluido de un sistema sobre el disco de cierre verticalmente, y que se abre automáti-camente cuando la presión del sistema es mayor que la presión de tarado.

La presión del disco de cierre la ejerce normalmente un resorte o muelle.

Habitualmente alcanzan su capacidad de descarga a una sobrepresión del 10% para gases y vapores y del 10 al 25% para líquidos.

Válvula de actuación indirecta

Es una válvula de seguridad que se abre solo cuando se alivia una vál-vula piloto conectada a ella. La válvula piloto es una válvula de seguridad de actuación directa y funciona como tal.

En la válvula de seguridad principal, el disco de cierre tiene una su-perficie de área mayor (1 en imagen adjunta) y otra menor (4 en imagen adjunta), ambas unidas físicamente. La fuerza ejercida sobre el disco de cierre para que este no se abra la proporciona la propia presión del fluido que está asentado encima del área mayor, mientras que el fluido presiona por la zona inferior de la válvula principal sobre el área menor para poder abrir la válvula y aliviarse. Por tanto, de esta manera, al ser igual la presión porque es el mismo fluido, pero menor área o superficie, nunca se va a poder abrir o aliviar la válvula principal.

Pero cuando la válvula piloto se abre porque el sistema tiene una pre-sión superior a su presión de tarado, se libera el caudal del fluido que está situado sobre la superficie mayor del disco de cierre de la válvula principal, permitiendo así que la válvula principal también se abra y alivie la presión, ya que no hay fluido que presione sobre la superficie mayor.


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Válvula de seguridad de actuación indirecta:

1. Área mayor.2. Esta zona se encuentra a igual presión que la conducción de alivio.3. Hacia la conducción de alivio o línea de descarga de la válvula prin-

cipal.4. Área menor.5. Conducción de acceso a la válvula principal desde el proceso o des-

de el sistema.6. Venteo a la atmósfera de la válvula piloto.7. Escape a la atmósfera de la válvula piloto.8. Conducción de acceso a la válvula piloto desde el proceso o desde

el sistema.9. Hacia la conducción de alivio o línea de descarga de la válvula prin-

cipal.

Válvula de seguridad de actuación indirecta

5

2

3

4

1

6Válvula piloto

Válvula principal

7

9

8

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Válvula de seguridad sencilla

Es aquella que tiene un solo asiento y, por tanto, un solo disco de cie-rre. Como ejemplo valdrían cualquiera de las anteriores válvulas.

Válvula de seguridad doble

Es aquella que aloja en su cuerpo dos asientos de válvula, y por tanto, dos discos de cierre, con las mismas prestaciones y el mismo tamaño. Uno de ellos está tarado a la presión deseada, mientras que el otro está tarado a una presión ligeramente superior. Saltará normalmente el que tiene la presión de tarado deseada, pero si se estropea o inutiliza, por ejemplo, por el arrastre de sólidos, el segundo seguirá funcionando a una presión de tarado ligeramente superior, por lo que no se espera que provoque ningún problema de seguridad en las instalaciones. Si se inutiliza o estropea el que tiene mayor presión de tarado se trabajará con el que tiene la presión de tarado deseada.

Existen otras válvulas de seguridad doble que están formadas por dos válvulas de seguridad y una válvula bidireccional. Esta última válvula se utiliza para alternar entre las dos válvulas de seguridad, de forma que solo una estará en funcionamiento. Por tanto, ambas estarán en paralelo, y saltará una mientras la otra está sin funcionar. Ambas están taradas a la misma presión. Con este sistema, las válvulas sufren menos desgaste y menos problemas de funcionamiento. Si una de ellas se estropea, la otra puede estar trabajando.

Nota

Los dos asientos están en serie, y el objetivo es no dejar la instalación sin válvula de se-guridad si alguno de ellos se deteriora o inutiliza, ya que de esta manera habrá un asiento en funcionamiento.


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Válvula de seguridad múltiple

Es aquella que aloja en su cuerpo más de dos asientos de válvula. Su funcionamiento es similar a la de seguridad doble, pero con más asientos.

Control, revisiones y timbrado de las válvulas de seguridad

Como ya se sabe, a las válvulas de seguridad se les realizan comprobacio-nes periódicas por parte del usuario y revisiones periódicas por el fabricante o empresa mantenedora especializada.

Estas últimas revisiones periódicas que son preventivas se realizan una vez al año, normalmente, y están reglamentadas para algunos usos, como es el

Válvula de seguridad doble

Recuerde

La clasificación de las válvulas de seguridad se realiza en función de:

\ La elevación del disco de cierre: de apertura instantánea o de alivio de presión. \ Su actuación o medio de accionamiento: actuación directa o indirecta. \ Su agrupación: sencilla, doble o múltiple.

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caso del Reglamento de Equipos a Presión, en su Instrucción Técnica Comple-mentaria EP1 de aplicación a calderas y sus elementos asociados (economiza-dores, sobrecalentadores, etc.). Esta establece realizar inspecciones oficiales que incluyen las válvulas de seguridad cada uno, tres y seis años desde la instalación del equipo.

El timbrado de la válvula de seguridad, que es lo mismo que el tarado de la válvula de seguridad, es la regulación de la presión de tarado de la válvula. Este ajuste se lleva a cabo manipulando con una llave la tuerca de ajuste de presión que tienen todas las válvulas de seguridad, hasta llegar a la presión de-seada. Esa tuerca es la que regula la presión que ejerce el resorte de la válvula, así que manipulándola, se puede variar la presión de tarado.

Nota

La revisión anual la realiza el fabricante o una empresa mantenedora autorizada. Las inspecciones trianuales consisten en el ensayo de funcionamiento de regulación y precinto de las válvulas de seguridad o de alivio, in situ. Las inspecciones cada seis años consisten en lo mismo que las de cada tres años, más la inspección completa de las válvulas de seguridad y sus accesorios. Las inspecciones cada tres y cada seis años las debe realizar según este reglamento un organismo de control.


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Es obligatorio llevar a cabo el timbrado en las inspecciones reglamentarias cada tres años. Si se comprueba mediante un manómetro calibrado que la presión de tarado de la válvula ha variado respecto a la que se fijó cuando se instaló, se tendrá que reajustar. Normalmente, en las inspecciones anuales se suele timbrar la presión de tarado definida para el sistema después de la revi-sión profunda de la válvula. Por último, si cambian las condiciones de opera-ción del sistema, por ejemplo, subiendo la presión de trabajo de este, también se tiene que timbrar o tarar la válvula de seguridad, ya que habrá que subir la presión de tarado, porque en caso contrario la válvula de seguridad, probable-mente, estará abriéndose constantemente porque la presión de trabajo será muy próxima a la de tarado.

El timbrado debe realizarlo el personal especializado, normalmente fabri-cantes, empresas mantenedoras especializadas u organismos de control, y debe colocar el precinto en la válvula después de llevarlo a cabo para impedir su manipulación posterior. Para llevar a cabo el timbrado se utiliza un manó-metro calibrado para comprobar si la válvula trabaja adecuadamente.

La Instrucción Técnica Complementaria EP3 del mismo reglamento, que se aplica al conjunto de instalaciones en refinerías de petróleo y plantas petroquí-micas, también establece una serie de inspecciones reglamentarias para las

Válvula de seguridad con tuerca de ajuste

1. Capuchón2. Tuerca de ajuste3. Husillo4. Resorte5. Cojinete guía6. Tuerca de disco7. Anillo boquilla8. Cuerpo9. Boquilla

10. Perno de palanca11. Palanca12. Guía13. Vástago14. Prisionero15. Inserto disco

15

14

13

12

11

8

9

7

6

5

4

3

10

1

2

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válvulas de seguridad. Las inspecciones anuales las realizará también el fabri-cante o una empresa mantenedora especializada, y el resto de inspecciones, un organismo de control.

3.6. Operación. Mantenimiento, manipulación de válvulas

Las operaciones a realizar con válvulas en las plantas químicas consisten en la manipulación de las válvulas, mantenimiento y reparación o sustitución de estas.

Posicionamiento de la válvula. Manual. Manual con engranaje mecánico (multiplicador). Neumático. Hidráulico. Eléctrico

El posicionamiento de las válvulas se puede llevar a cabo de muy diversas maneras, unas más simples como pueden ser la manipulación manual de un volante de una válvula y otras mucho más complejas, como la utilización de sistemas con elementos y equipos relativamente complejos.

La elección de una u otra forma de actuar depende de diversos factores entre los que se encuentran el coste de la mano de obra, si la válvula se encuentra lejos o cerca, las condiciones de los locales, el número de trabajadores, o el caudal que pueda llevar el fluido. Por ejemplo, existen válvulas que precisan dar vueltas a un volante durante varios minutos, y otras que se encuentran en posiciones muy alejadas del lugar donde se ubican los trabajadores, por lo que es preferible realizar estos posicionamientos de las válvulas mediante un motor eléctrico.

Recuerde

Para el control de las válvulas de seguridad se llevan a cabo las inspecciones reglamentarias definidas en el reglamento de equipos a presión. Estas inspecciones se realizan periódi-camente, normalmente por el fabricante o empresa mantenedora especializada o por un organismo de control, en función del tipo de inspección. Las inspecciones a las calderas y elementos asociados son anuales, trianuales y cada seis años.


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Posicionamiento manual y manual con engranaje mecánico (multiplicador)

La manipulación o el posicionamiento manual de las válvulas se ha lle-vado a cabo desde hace mucho tiempo. Desde hace siglos, una persona ha manipulado una válvula con un volante para poder regular un caudal o abrir o cerrar un conducto. A día de hoy, en los procesos químicos siguen utili-zándose válvulas manualmente, aunque la mayoría son automáticas. Estas válvulas también llevan un dispositivo manual, por ejemplo, un volante, para posibles labores de mantenimiento o por si se produce algún fallo en estas.

Existen dos tipos de mandos manuales, los de volante, que pueden estar colocados de forma vertical u horizontal, y los de palanca o llave.

Las válvulas manuales en las plantas químicas son de tipo apertura y cierre, como por ejemplo:

� La válvula de compuerta, que con el movimiento de su volante, pue-de abrir o cerrar una conducción.

� La válvula de macho o la de bola, que con un ¼ de vuelta de la pa-lanca, puede abrir o cerrar una conducción.

Pero existen situaciones en las que las válvulas están colocadas en lugares inaccesibles para su manipulación manual. Para ello se usan una serie de accesorios que son accesibles a los trabajadores. Algunos ejem-plos son: la extensión del vástago sobre un soporte, o los pedestales donde están situados a nivel del suelo los mandos de una válvula mientras esta está por debajo de este, por ejemplo, en una zanja.

Accionamiento manual con volante y con palanca o llave de tuercas

244 |


En el posicionamiento manual con engranaje (efecto multiplicador), el posicionamiento de la válvula se lleva a cabo a través de un volante, al igual que en el manual, pero este se encuentra unido a un sistema de en-granaje que tiene un efecto multiplicador para así no necesitar de mucho esfuerzo en su manipulación.

Estos sistemas de engranajes se denominan operadores de engranaje, y se utilizan normalmente para abrir y cerrar manualmente válvulas de gran tamaño. El posicionamiento se puede realizar in situ o a distancia, por ejemplo, con vástagos de extensión, como se ha comentado anteriormente con las válvulas manuales.

La mayoría de estos sistemas se abren cuando se realiza el giro del volante hacia la izquierda, ya que se invierte el sentido del giro, aunque se fabrican también operadores de engranaje que giran hacia la derecha. Los engranajes necesitan lubricación.

Definición

EngranajeEs un sistema que utiliza ruedas con dientes en su periferia para transmitir movimientos giratorios o circulares.

Operador de engranaje


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Posicionamiento neumático, hidráulico y eléctrico

Para llevar a cabo el posicionamiento automático, es decir, la mani-pulación motorizada de las válvulas, se utilizan los actuadores mecánicos que proporcionarán la fuerza para mover su dispositivo de funcionamiento mecánico.

Un actuador es una de las dos partes que tiene una válvula de control, la otra es el cuerpo de la válvula, es decir, la válvula en sí.

Definición

ActuadorDispositivo o mecanismo que transforma una señal procedente de un controlador de un lazo de control en un movimiento que es capaz de cambiar la posición del mecanismo de regulación o cierre (obturador) de la válvula de control.

Actuador y válvula de control

246 |


Las válvulas de control normalmente son el último elemento o el ele-mento final de un lazo de control instalado en un proceso químico y su fi-nalidad es regular un caudal de fluido para controlar una o varias variables del proceso como la temperatura, la presión, el nivel de un depósito, etc.

Existen actuadores mecánicos para casi cualquier clase y tamaño de válvulas, aunque sean del tipo de mariposa, globo, diafragma, etc.

La utilización de estos actuadores puede ser necesaria porque:

� Las válvulas necesiten frecuentemente abrir, cerrar o estrangular conducciones.

� Las válvulas se encuentren situadas en lugares alejados en una planta. � Pueden realizar un cierre automático en caso de emergencia. � Las válvulas pueden necesitar incluso varios minutos para abrir o cerrar conducciones, como ocurre con las válvulas de gran tamaño.

Los actuadores mecánicos pueden ser neumáticos, hidráulicos o eléc-tricos, dependiendo del origen de la fuerza que lo manipula (presión neu-mática, presión hidráulica o fuerza electromotriz). Los más utilizados son los neumáticos, después los eléctricos, y por último, los hidráulicos.

Definición

Válvula de control Es una válvula que regula directamente el flujo de una o más corrientes del proceso y que tiene un actuador que puede modificar la posición del elemento de cierre (obturador) en la válvula como respuesta a la señal procedente del controlador.


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Actuador neumático

Se le denomina así porque su señal la recibe por medio de una línea de aire comprimido. Mediante aire comprimido se acciona un motor que a su vez mueve el vástago de la válvula, y por tanto, la ac-ciona. Normalmente son de apertura todo o nada.

Hay dos tipos de actuadores mecánicos básicos: los que utilizan una membrana y un resorte, que son con diferencia los más emplea-dos, y los que utilizan un pistón, que ocupan la segunda posición en cuanto a uso por delante de los eléctricos y los hidráulicos.

En los actuadores de membrana y resorte, cuando entra el aire comprimido en la cámara del actuador, una membrana mueve el vás-tago cerrando la válvula mientras comprime un resorte. Cuando el aire se libera de la cámara, la energía almacenada en el resorte actúa so-bre el vástago, haciendo retroceder el obturador a su estado inicial y abriendo la válvula. Tienen un costo relativamente bajo y son bastante efectivos y eficaces.

Válvula de control con actuador neumático de membrana y resorte

Entrada del aire a presión

Cuerpo del actuador neumático

Cuerpo de la válvulaAsientos

Discos

248 |


Los actuadores de pistón se utilizan para servicios de regulación o estrangulación. Están provistos de posicionadores de doble acción que alternativamente cargan y descargan a los lados opuestos del pistón. La presión diferencial creada a través de este hace que se desplace hacia el lado donde la presión es más baja y así mueve el vástago. El posicionador recibe el movimiento del desplazamiento y, cuando se alcanza la posición requerida, el posicionador equilibra la presión en ambos lados del pistón. Algunos modelos tienen resorte de retorno funcionando de igual manera que el modelo anterior, pero con un pistón que comprime. Son más com-pactos y se utilizan cuando es necesaria más potencia, es decir, cuando hace falta un par de torsión elevado para las válvulas de control. Se adap-tan bien a aquellos lugares con altas temperaturas y necesitan elevadas presiones de alimentación para trabajar.

Actuador hidráulico

Se trata de un pistón que se desplaza en un cilindro unido al vás-tago del obturador de la válvula. En unos modelos, el fluido hidráulico

Nota

Un posicionador es un dispositivo que controla el movimiento de los actuadores de acuerdo con la señal procedente del controlador de un lazo de control.

Actuador neumático tipo pistón

Argolla

Pistón

Puertos fluidos


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alimenta por un lado una y otra cara del pistón, y por el otro, lo drena. En otros modelos se alimenta y drena por el mismo sitio. Son bastante sencillos y tienen un número pequeño de elementos.

Actuador eléctrico

Están formados por un motor eléctrico accionado a través de una señal eléctrica que a su vez mueve el vástago de la válvula, y por tanto, la acciona. Con una tuerca normalmente arrastran hacia arriba o hacia abajo el vástago de la válvula. Además tienen un reductor de velocidad y un dispositivo de acoplamiento. Generalmente aseguran una regulación continua de la posición del obturador con la ayuda de un regulador electrónico. Son muy robustos y resistentes ante las fuerzas originadas en la válvula, por lo que son muy adecuados para regular grandes válvulas con presiones elevadas. Normalmente son de apertura todo o nada.

Válvula de control con actuador hidráulico

Resorte

Fluido hidráulico

Válvula de control

Vástago

Suministro hidráulico y línea de retorno

Pistón

Cilindro

250 |


Operaciones rutinarias de mantenimiento: lubricación, engrase, control de la corrosión. Control prensaestopas. Sustitución estopada. Control de fugas

El mantenimiento de las válvulas en servicio está limitado básicamente al apriete de tuercas de la unión entre el bonete y el cuerpo y del prensaestopas, a la lubricación y engrase, y en caso de emergencia, a la instalación de nuevos anillos de empaquetadura.

El mantenimiento que se debe llevar a cabo, tal y como indica el fabricante de la válvula en su manual, tiene las siguientes operaciones rutinarias.

Lubricación y engrase

Algunas partes de las válvulas requieren una correcta lubricación o engrasado, por lo que para mantener las válvulas en condiciones óptimas de operación, es necesario lubricarlas y engrasarlas.

Actuador eléctrico

Recuerde

El posicionamiento de las válvulas se puede hacer manualmente mediante volante o pa-lanca, o a través de operadores de engranaje para reducir el esfuerzo en la manipulación. Pero también mediante un posicionamiento automático por medio de actuadores de tipo neumático, hidráulico o eléctrico, en función del origen de la fuerza que manipule el actuador.


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Si el vástago y su tuerca son de tipo lubricado, hay que lubricar las ros-cas del vástago y su tuerca en la zona en las que este sea visible. También se deben engrasar los tornillos y las tuercas de la válvula que unen el cuer-po y la tapa, y las tuercas del prensaestopas. Si a la válvula le acompaña algún actuador de engranaje, neumático, hidráulico o eléctrico, también se deben lubricar sus zonas móviles.

Existen otras actuaciones concretas relativas a la lubricación en fun-ción de la válvula, por ejemplo, en las válvulas de macho se inyecta lu-bricante con una pistola a presión entre la cara del macho y el asiento en el cuerpo para evitar fugas. Esto ayuda a tener un cierre hermético con asientos metálicos e inhibe la corrosión. También se conocen aspectos concretos relativos a la lubricación para determinadas válvulas o empa-ques, como que la mayoría de las válvulas de mariposa tienen lubricación permanente, y no hay que lubricar su interior, o que la empaquetadura de teflón es autolubricante.

Por otro lado, también hay válvulas que tienen graseras y conductos internos para la lubricación. Las graseras son elementos por donde se introduce el lubricante (con la periodicidad indicada por el fabricante).

Consejo

Hay que comprobar que todas estas zonas están lubricadas o engrasadas, y en caso contrario, lubricarlas o engrasarlas tal y como indique el fabricante en su manual de funcionamiento.

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Control de la corrosión

Cualquier fallo en el revestimiento de los materiales metálicos o en el sellado de estos puede permitir que un fluido corrosivo entre en contacto con los materiales metálicos de la válvula, ocasionando su fallo.

Para detectarlo se debe inspeccionar visual y periódicamente la válvu-la, comprobando indicios de corrosión como pueden ser pequeñas pica-duras en el cuerpo, o pequeña corrosión en las tuercas del prensaestopas, en su arandela o en el vástago, ya que estas son las partes externas de la válvula más propensas por estar en la salida del empaque.

Existen elementos denominados, entre otros nombres, testigos de co-rrosión o racks corrosimétricos, que con forma de anillo, se insertan en el empaque junto con el material de este. Su función es el control de la co-rrosión de las zonas internas de las válvulas, ya que están fabricados con materiales similares a los de las válvulas. Las válvulas con revestimiento suelen tener, en su sellado, elementos de este tipo para separar las sec-ciones revestidas y las no revestidas.

Grasera de una válvula

Importante

Hay que controlar periódicamente estos elementos para detectar el problema antes de que ocurra una grave corrosión.


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Control prensaestopas

El prensaestopas es el método que se utiliza habitualmente para com-primir la empaquetadura o la estopada. Está compuesto por un casquillo ajustado por un anillo, aro o arandela. Esta arandela está atornillada y apretada con una tuerca a la tapa de la válvula. Esta tuerca es la tuerca prensaestopas.

Es necesario que habitualmente se compruebe el apriete de estas tuer-cas para poder prevenir, o eliminar en su caso, las posibles fugas que se puedan producir por la empaquetadura. Se deben apretar las tuercas pe-riódicamente para que el resalte de esta contacte con la tapa.

Si se detecta que los anillos, aros o arandelas están deteriorados se deben sustituir lo antes posible.

Sustitución estopada

El sellado de la válvula se lleva a cabo por medio de la estopada o em-paquetadura de acuerdo con la construcción de la válvula. Para sustituir la empaquetadura, y dependiendo del diseño, habrá que abrir o no la tapa. El fabricante indicará en el manual de mantenimiento cómo se debe hacer.

Si se necesita abrir la tapa de la válvula, el primer paso es aislar la válvula a ambos lados. A continuación se deben retirar las tuercas de la tapa y la tuerca del vástago, se aflojan las tuercas prensaestopas y se tira

Definición

Tuercas prensaestopasSon las tuercas que aprietan la arandela o anillo que ajusta al casquillo prensaestopas, y por tanto, es la tuerca con la que se comprime la empaquetadura.

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de la tapa hacia arriba, quedando el vástago unido al cuerpo. Después se quitan las tuercas, el anillo y el casquillo, y con una varilla con la punta redondeada para no deteriorar el interior, se limpia el alojamiento de la estopada desde el lado del cuerpo. Finalmente se vuelve a colocar todo, ya que la empaquetadura sustituta se colocará con la válvula montada, y metiéndose esta desde la zona del prensaestopas. Cuando se introduce la empaquetadura, los distintos tramos se van desplazando hacia el interior con ayuda del casquillo prensaestopas y/o la arandela. Cuando se han introducido todos los componentes de la empaquetadura con el orden in-dicado por el fabricante se coloca el casquillo prensaestopas, la arandela prensaestopas y se aprietan las tuercas.

Si no se necesita abrir la tapa para el cambio de la empaquetadura se retiran las tuercas del prensaestopas, el anillo y el casquillo. A continua-ción, con una varilla con punta redondeada, se extrae la empaquetadura y se introduce el nuevo empaque. Se cierra tal y como se ha indicado en la situación anterior.

Control de fugas

Para el control de las fugas se comprueba visualmente el exterior de las válvulas como las juntas, tuercas de unión de cuerpo y tapa, se inspec-

Sección de zona superior de una válvula

Contratuerca

Resorte estopada

Espárragos

Aro prensaestopas

Tuercas

Aro vástagoCasquillo

“O” ringTuerca de montaje

Estopada


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ciona si hay picaduras por corrosión, y sobre todo, porque es lo habitual, hay que comprobar visualmente las tuercas prensaestopas. Si se detectan fugas en las tuercas prensaestopas, habrá que verificar si el resalte de la tuerca hace contacto con la tapa, y si no toca, apretar las tuercas hasta que contacte con ella. Si no se puede parar la fuga de esta manera, enton-ces hay que sustituir el estopado.

Diferentes tamaños de “O” rings o juntas tóricas

Recuerde

Las principales operaciones rutinarias de mantenimiento son:

\ Lubricar vástago y tuerca en zona visible. \ Engrasar los tornillos y las tuercas de la válvula que unen el cuerpo y la tapa, y las

tuercas del prensaestopas. \ Inspección visual para detectar posibles indicios de corrosión e inspeccionar, en su

caso, los testigos de corrosión. \ Si hay una fuga en la tuerca del prensaestopas, apretar la tuerca hasta que el resalte

contacte con la tapa, y si no, sustituir el estopado. Comprobar que el resalte de la tuerca del prensaestopas contacta con la tapa, y si no es así, apretarlo.

256 |


Operaciones de reparación o sustitución de grandes válvulas

Cuando se avería una válvula se debe decidir si se cambia por otra o se repara, sea en un taller o in situ.

Si se decide reparar, es preferible que se desmonte una válvula que esté co-nectada a la conducción mediante bridas y montar una de repuesto a intentar la reparación in situ de la válvula montada, ya que se perdería mucho tiempo en arreglarla, y máxime, teniendo en cuenta que los procesos son continuos. Por ello, aunque sea posible realizar la reparación in situ y sin desmontarla, se prefiere, con carácter general, las reparaciones de las válvulas en taller.

El problema es que no es fácil desmontar una válvula de grandes dimensio-nes para llevarlas al taller o para sustituirla por una nueva, y después volver a montar otra o la misma reparada.

Previamente a la manipulación de la válvula averiada se debe cerrar la circulación de fluido por la conducción en la que se encuentre esta válvula mediante el corte total del flujo con otras válvulas del proceso.

Sabía que...

Para el sellado y prevención de fuga de fluidos se utilizan unas piezas de material elasto-mérico con forma de anillo y sección circular llamadas “O” rings o junta tórica.

Nota

La decisión de reparar depende del coste que puede suponer la reparación y el tiempo de reparación.


| 257

La manipulación de una válvula es de suma importancia, y más si es de grandes dimensiones. Tanto si se quiere sustituir como si se quiere reparar en un taller, es necesario manipularla con eslingas y un polipasto para desins-talarla y para instalar la nueva o la reparada. Pero, además, hay que tener la precaución de nunca levantar las válvulas ni por el volante, ni por el vástago para evitar que se produzcan averías, y hay que impedir que se golpeen. Para ello se deben colocar las eslingas por debajo del cuerpo de la válvula, de forma que evite que se invierta su posición vertical habitual.

Cuando se recibe una válvula nueva o reparada se debe mantener empaque-tada hasta que vaya a ser montada. Si se abriese antes, no se deben extraer los protectores de las bridas hasta que se vaya a montar la válvula. En el momento de instalarla se deben quitar estos protectores y comprobar que el interior de la válvula se encuentra sin cuerpos extraños, es decir, limpio. Si no fuese así, se deben limpiar y eliminar.

Casi todas las válvulas de retención tienen un tope como protección del disco y del asiento para prevenir posibles daños que puedan sufrir durante su transporte. Se debe extraer este tope antes de su montaje.

Para comprobar su funcionamiento antes del montaje se deberá hacer lo si-guiente: primero, cerrar completamente la válvula, después abrirla totalmente y, por último, volver a cerrarla por completo.

Importante

Bajo ningún concepto se debe permanecer debajo o en las inmediaciones de la válvula mientras esté suspendida del polipasto para evitar la caída de esta encima de ningún trabajador.

258 |


Previo al montaje, también se debe comprobar la buena alineación de las tuberías y que la válvula se va a instalar atendiendo a la dirección de flujo que aparece señalizado en su cuerpo.

Cuando se instale la válvula se debe hacer una verificación del apriete de los tornillos de la tapa y de las tuercas del prensaestopas por si se han afloja-do durante el transporte. Además, es necesario lubricar la parte visible de la rosca del vástago y su tuerca en caso de ser del modelo lubricado. Por último, cuando se termine de montar, se debe comprobar de nuevo el funcionamiento de la válvula con un cierre completo, una apertura total y otro cierre completo.

Si la reparación de la válvula fuera tan simple que se decidiera ejecutar in situ y no desmontarla se deberá tener especial cuidado de limpiar todas las piezas internas y, antes de cerrarla, inspeccionar el interior comprobando que todo está limpio.

Ejercicio práctico

De las siguientes válvulas indique si son de apertura y cierre lineal, de apertura y cierre rotatorio, de estrangulación o regulación, de retención, o de seguridad: válvula de com-puerta, pistón, globo, de apertura instantánea, bola, mariposa, alivio de presión, diafragma, clapeta y macho.

SOLUCIÓN

Compuerta: apertura y cierre lineal.Pistón: retención.Globo: apertura y cierre lineal, estrangulación o regulación.Apertura instantánea: seguridad.Bola: apertura y cierre rotatorio, retención (se trata de dos válvulas diferentes aunque tengan el mismo nombre).Mariposa: estrangulación o regulación.Alivio de presión: seguridad.Diafragma: apertura y cierre lineal, estrangulación o regulación.Clapeta: retención.Macho: apertura y cierre rotatorio.


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4. Resumen

Para desempañar operaciones con máquinas, equipos e instalaciones, es necesario tener un buen conocimiento sobre las tuberías, válvulas y accesorios de las líneas de conexión de las plantas químicas. Estos son imprescindibles


Una válvula de seguridad de un depósito a presión de almacenamiento de gas fue diseñada asumiendo que la válvula de retención de la tubería de salida del depósito impediría un posible retorno del flujo de salida hacia dentro del recipiente. Indique si la instalación de la válvula de seguridad es correcta y por qué.

SOLUCIÓN

No. El motivo es que un fallo de la válvula de retención, que es muy posible, puede permitir el retorno del flujo de salida, con lo cual, la válvula de seguridad estaría infradimensionada.


Se instala una sola válvula de seguridad para dos depósitos a presión de almacenamiento de gases que están unidos por una tubería que no tiene ninguna restricción. La válvula se encuentra físicamente en la parte superior de uno de los dos depósitos. Posteriormente se instala una válvula de aislamiento en la tubería entre ambos depósitos. Indique si la instalación de la válvula de seguridad es correcta y por qué.

SOLUCIÓN

No, porque es bastante posible que se cierre la válvula de aislamiento entre ambos depósitos, de forma que el depósito que tiene instalado físicamente la válvula de seguridad seguirá protegido, pero el otro depósito estará aislado por la válvula de aislamiento, y por tanto, des-protegido.

260 |


para que se produzcan los procesos químicos, ya que sin ellos, no habría con-tinuidad en estos, y por tanto, no se podrían llevar a cabo.

Una tubería es un conducto cuya función es transportar fluidos y están fa-bricadas a partir de normas o estándares que definen todas sus características junto con las pruebas a realizarle.

Las uniones de las tuberías se pueden realizar mediante el acoplamiento por accesorios, unión tope a tope (soldadura), sujeción a través de elementos en los extremos de cada tubería (bridas) o el acoplamiento de tubos.

Una válvula es un dispositivo mecánico cuya función es iniciar, detener o regular la circulación de los fluidos. Sus partes principales son: obturador, vástago, asiento, empaquetadura, cuerpo, tapa, juntas de cierre, extremos y pernos de unión.

Se pueden clasificar en cuatro grupos: válvulas de apertura y cierre, de estrangulación o regulación, de retención y de seguridad.

Existen otras válvulas especiales como son las válvulas de fuelle, electrovál-vulas, alta temperatura, criogénicas y de alta presión, que son modificaciones concretas en el diseño de algunas de las anteriores.

La manipulación o el posicionamiento de las válvulas puede ser manual, manual con engranaje, neumático, hidráulico o eléctrico.

Es conveniente conocer las operaciones rutinarias de mantenimiento de las válvulas como la lubricación, engrase, control de la corrosión, control del prensaestopas, sustitución estopada y control de fugas. Además se debe saber cómo llevar a cabo las operaciones de reparación y sustitución de grandes vál-vulas, por su complejidad.

| 261


| 261

1. Una diferencia general entre las tuberías y los tubos es que...

a. ... los tubos pueden unirse mediante bridas, soldadura y conexiones rosca-das, y las tuberías sólo mediante bridas y conexiones roscadas.

b. ... las tuberías tienen diámetros pequeños y los tubos diámetros grandes.c. ... las tuberías tienen pared gruesa y normalmente rugosa, y los tubos

pared delgada y lisa.d. ... las tuberías tienen longitudes muy grandes y los tubos moderadas.

2. Entre los elementos de caracterización de una tubería, el número de catálogo o célula está relacionado con...

a. ... el espesor de tubería.b. ... el diámetro nominal de la tubería.c. ... el diámetro interior y exterior de la tubería.d. ... el material de la tubería.

3. Entre los sistemas de unión de tuberías, el sistema de unión que se utiliza para las líneas de altas presiones y temperaturas es:

a. El acoplamiento por accesorios mediante rosca.b. La unión tope a tope mediante soldadura.c. La unión a través de elementos en los extremos de cada tubería mediante

bridas.d. El acoplamiento mediante el sistema de enchufe.

4. Se quiere fijar mediante soportes una tubería, y los puntos preferidos para su fijación son:

a. Sobre un codo.b. Sobre tramos de tuberías que se limpian constantemente.c. Sobre conexiones de ramales prefabricados.d. Sobre tramos rectos de tuberías.


262 |


5. En una válvula, el vástago es:

a. La parte de la válvula que mueve el obturador.b. La parte de la válvula donde se realiza el cierre por medio del contacto con

el obturador.c. La parte de la válvula que asegura la estanqueidad del fluido.d. La pieza de la válvula que realiza la interrupción física del fluido.

6. La válvula de pistón es:

a. Una válvula de apertura y cierre lineal.b. Una válvula de apertura y cierre rotatoria.c. Una válvula de estrangulación o regulación.d. Una válvula de retención.

7. La válvula formada por el cuerpo y un elemento rotatorio cilíndrico o cónico es:

a. Una válvula de globo.b. Una válvula de mariposa.c. Una válvula de macho.d. Una válvula de bola.

8. La válvula que se caracteriza por tener un bonete con extensión alargada y forma de tubo es:

a. Una válvula de fuelle.b. Una válvula criogénica.c. Una electroválvula.d. Una válvula de clapeta.

9. La presión de precinto o de tarado en una válvula de seguridad es:

a. La presión máxima de servicio.b. La presión a la que se abre la válvula de seguridad.c. La máxima presión de trabajo a la temperatura de diseño.d. La presión a la que se abre o cierra la válvula de seguridad.


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10. Los actuadores que se caracterizan por tener una membrana y un resorte son:

a. Neumáticos.b. Hidráulicos.c. Eléctricos.d. Manuales con engranaje mecánico.

Capítulo 4

Operación de máquinas de la planta química

Contenido

1. Introducción2. Bombas centrífugas3. Bombas de desplazamiento positivo4. Compresores centrífugos y alternadores:

principios y especificaciones. La relación de compresión

5. Turbinas de vapor y gas. Su utilización en la planta química

6. Motores eléctricos7. Resumen

CAP. 4 | Operación de máquinas de la planta química

| 267

1. Introducción

Las máquinas que se pueden encontrar normalmente en cualquier planta química son bombas centrífugas y de desplazamiento positivo, compresores centrífugos y alternativos, turbinas de vapor y gas, y motores eléctricos de co-rriente continua y alterna.

El crecimiento y perfeccionamiento de los procesos químicos está ligado a un mejor conocimiento de cómo funcionan estos equipos y de cómo se deben aplicar estos conocimientos.

Por ello se debe tener un adecuado conocimiento del funcionamiento, de los elementos que los componen, del tipo de equipos, de su utilización, de su control, de los problemas relacionados con sus operaciones, del mantenimien-to, y de algunas otras características específicas de cada uno de ellos. Con ello se conseguirá operar estos equipos correctamente y desempeñar el trabajo en esta actividad adecuadamente, de manera que los procesos químicos sean eficientes, y además, se puedan mejorar y optimizar.

Por tanto, en este capítulo de operación de máquinas de la planta química se van a estudiar todos estos aspectos.

2. Bombas centrífugas

La gran mayoría de los procesos industriales en las plantas químicas inclu-yen la conducción de líquidos. Para realizar esta acción se utiliza la bomba como medio mecánico, que es una parte muy importante en todos los proce-sos, las bombas centrífugas son las más utilizadas mundialmente.

268 |


Las bombas centrífugas están compuestas por la conducción de aspiración, la voluta, el rodete, el eje y la conducción de impulsión. Estas bombas están formadas por una carcasa o voluta que cubre la bomba, dentro de la que hay un cuerpo hueco. Ajustado a la voluta está el rodete que es una rueda giratoria provista de paletas o álabes de diversa curvatura. El movimiento giratorio se lo transmite el eje de la bomba. El orificio de aspiración, que es donde termina la conducción de aspiración, está situado en la prolongación del eje de rotación de la bomba. La conducción de aspiración y de impulsión son las tuberías de entra-da y salida de la bomba, para succionar y transportar el líquido respectivamente.

Definición

Bomba centrífugaEs un tipo de bomba hidráulica que a través de un elemento impulsor rotatorio, que se denomina rodete, es capaz de desplazar un líquido por una conducción, transformando la energía mecánica de este elemento en energía cinética (velocidad) y potencial (altura).

álabeEs la paleta curva en una máquina de fluidos de tipo rotatorio cuya función es transformar la energía cinética (velocidad del fluido) en energía mecánica mediante un eje, o en energía de presión para transportar dicho fluido.

Bomba centrífuga

Salida

Difusor

Anillo de descaste

EntradaRodete

Voluta

Empaquetadura

Eje


| 269

En la bomba centrífuga, el fluido entra por el centro del rodete o impulsor concéntrico con el eje de la bomba que gira a gran velocidad. El rodete dispone de unos álabes o paletas radiales para mover o conducir el líquido, y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior con una velocidad mucho mayor que al entrar al mismo. El líquido es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba en espiral, llamada voluta, que debido a su forma lo envía hacia la conducción de salida o hacia el siguiente rodete, si tiene más de una etapa.

Por efecto de la fuerza centrífuga, el líquido es proyectado hacia la periferia de la rueda e impulsado en el difusor, donde pierde velocidad y transforma su fuerza viva en presión debido al aumento de sección.

Al desaparecer el líquido de la zona central del rodete, una nueva cantidad de líquido se introduce en el mismo y provoca el llenado de la cavidad, de forma que el suministro sea continuo.

Si la capacidad de elevación de una bomba con un solo rodete es reducida, se equipa de varios rodetes en serie a la bomba, pasando el líquido de la pe-riferia de un rodete al centro del siguiente, donde se le aplica una impulsión complementaria. Se pueden acoplar hasta ocho rodetes, pero a partir de este, es mejor el uso de bombas sucesivas, dos o más.

Este tipo de bombas es de flujo continuo, y son muy adecuadas para utili-zarlas con grandes caudales y pequeñas presiones. Son las bombas más utili-

Sección de bomba centrífuga y bomba centrífuga con motor

Sección meridional Sección transversal

Tubo de aspiración

270 |


zadas mundialmente, y aproximadamente son el 80% de la producción mun-dial de bombas.

Las ventajas de este tipo de bomba son su sencillez, su bajo costo, el flujo continuo, necesitan poco espacio para su montaje, coste de mantenimiento pe-queño, son silenciosas y se adaptan muy bien a diferentes unidades motrices o generadoras de movimiento, ya sean motores eléctricos, de explosión o turbinas.

2.1. Variables. Curvas características (caudal, rendimiento, consumo, presión y altura de impulsión y de aspiración)

Para tener un mejor conocimiento de estas bombas es necesario conocer sus variables y curvas características.

Variables

Las variables que se producen durante la impulsión de un líquido en una bomba centrífuga, y que normalmente son necesarias para su utilización y para diferentes cálculos, son las siguientes:

■ Caudal del líquido a mover o elevar: es el volumen de líquido que mueve la bomba por unidad de tiempo.

■ Altura geométrica de aspiración: distancia vertical desde el nivel inferior del agua hasta el eje de la bomba. La aspiración de la bomba es la acción de elevar el agua a través de la tubería de aspiración hasta la bomba.

■ Altura geométrica de la impulsión: distancia vertical desde el eje de la bomba hasta el nivel más alto del agua. La impulsión de la bomba es la acción de elevar el agua a través de la tubería de impulsión desde la bomba hasta su destino final. Para ello, la bomba ejerce la presión necesaria para que el líquido llegue hasta su destino.

■ Altura geométrica de elevación: es la suma de la altura de aspiración y la altura de impulsión.

■ Altura manométrica total de elevación: es la altura de elevación más las pérdidas de carga de las conducciones de aspiración e impulsión.


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Sabía que…: pérdida de carga es la parte de la presión o altura mano-métrica que se pierde por el paso de un fluido por una conducción o un accesorio.Este valor es independiente del peso específico del fluido a bombear.

■ La presión, altura de presión o carga total desarrollada por la bomba: es la presión necesaria para mover el líquido a su destino. La aporta el fa-bricante para diferentes condiciones de operación de la bomba y hay que seleccionar la adecuada para mover el líquido. Esta presión tiene como unidad metros de altura. La presión seleccionada será la presión que la bomba aplica al líquido y deberá vencer la altura manométrica total y la diferencia de presiones del fluido en el recipiente de impulsión y en el de aspiración. Si ambas presiones son iguales, la presión de la bomba será la altura manométrica total de elevación, que es la que tiene que vencer.

■ Consumo: la potencia útil o la potencia que la bomba centrífuga sumi-nistra al fluido para moverlo.

■ Rendimiento: es la relación entre el consumo y la potencia necesaria para mover la bomba, es decir, la potencia del motor que mueve la bomba.

Curvas características

Las bombas se definen por tres curvas características fundamentales que normalmente aparecen en el mismo diagrama y permiten visualizar las posibi-

Diferentes alturas en el bombeo de un líquido con una bomba centrífuga

Altura de aspiración

Pozo

Altura de impulsión

Altura manométrica

totalDepósito

Pérdidas de carga

272 |


lidades de empleo en cada caso. Estas curvas permiten representar diferentes variables de las bombas en función del caudal que mueve, y establecen las condiciones más favorables de funcionamiento de estas. Estas curvas son las que se describen a continuación.

Curva de altura-caudal

En esta curva se representa la altura manométrica total a la que la bomba es capaz de enviar un líquido para distintos caudales. En la curva se representan estas variables para diferentes velocidades de giro de la bomba en revoluciones por minutos (r. p. m.).

Además, en esta curva se puede encontrar el punto característico de funcionamiento de la bomba o punto de operación de la bomba.

Curva altura-caudal de una bomba centrífuga

300

Altu

ra T

DH (m

)

Caudal (l/s)

40

30

20

10

0100

960 r.p.m.

880

800

720

640

0 200

Definición

Punto de operación de la bomba centrífugaEs el punto característico para este tipo de bombas que determina las condiciones que son comunes a la bomba y a la conducción a la que está acoplada.


| 273

A partir de la ordenada altura manométrica total (H) de la instalación a estudiar se dibuja la curva que representa la pérdida de carga de la tubería o resistencia del sistema en función del caudal. El punto de intersección entre ambas curvas del sistema muestra el lugar en donde se establecerá el equilibrio de funcionamiento del conjunto bomba-conducción.

Curva de consumo-caudal

En esta curva se relaciona la potencia consumida de la bomba para di-ferentes caudales y velocidades de giro de la bomba. El consumo también se puede representar como la potencia consumida por unidad de volumen para diferentes caudales.

Punto de operación de una bomba centrífuga

Punto de operación

Curva de resistencia del sistema

H

Q

Curva característica H/Q de la bomba

HD

Curva potencia-caudal de una bomba centrífuga

300

Pote

ncia

(CV)

Caudal (l/s)

150

100

50

01000 200

960 r.p.m.

880800720

640

274 |


Curva de rendimiento-caudal

Esta curva relaciona el rendimiento de la bomba para diferentes cau-dales, y diferentes velocidades de giro. Algunas veces no se representa aunque es muy importante.

Curva rendimiento-caudal de una bomba centrífuga

300

Rend

imie

nto

(%)

Caudal (l/s)

40

30

20

10

0100

960 r.p.m.880

800720

640

0 200

Curva caudal-altura-consumo-rendimiento de una bomba centrífuga

125

(l/seg)

H (m) N (kW) η %

42 60 75

28 40 50

14 20 25

250 7550 100

Hm

ηm

N


| 275

2.2. Clases de bombas centrífugas: flujo radial, mixto, axial, horizontales, verticales, autocebantes, multietapas

Las bombas centrífugas se pueden clasificar en función de diversas variables:

■ En función de la dirección de flujo en el rodete:

� Bombas de flujo radial. � Bombas de flujo axial. � Bombas de flujo mixto.

■ En función de la posición del eje de rotación de la bomba:

� Bombas horizontales. � Bombas verticales.

■ En función de otras variables como si se ceban solas, o el número de impulsores que tiene la bomba:

� Bombas autocebantes. � Bombas multietapas.

Bombas de flujo radial

Se caracterizan porque el líquido entra en el rodete en dirección paralela al eje de la bomba y sale de este en dirección radial, es decir, perpendicular

Recuerde

Las bombas centrífugas se pueden clasificar en función de: la dirección del flujo en axia-les, radiales y mixto, la posición del eje en horizontales y verticales, si se ceban solas en autocebantes o no autocebantes, y del número de impulsores en monoetapas y multietapas.

276 |


al eje hacia la periferia de este, mediante la fuerza centrífuga. En este tipo de bombas los líquidos son desplazados a grandes alturas.

Bombas de flujo axial

Se caracterizan por tener un flujo axial o casi axial al entrar por el rodete y cuando sale de este, debido al empuje aplicado por las aletas. En este tipo de bombas los líquidos son desplazados a pequeñas alturas.

Bombas de flujo mixto

Tienen un rodete delgado donde el flujo entra en forma axial por el rodete y sale de este en una dirección intermedia entre radial y axial. En este tipo de bombas los líquidos son desplazados a medianas alturas.

Bombas horizontales

Aquellas bombas centrífugas que están construidas con un eje de rotación o giro en posición horizontal, por lo que el motor y la bomba se hallan normal-mente a la misma altura. Siempre trabajan en seco. La mayoría de las bombas centrífugas son horizontales.

Dirección del flujo en las bombas de flujo axial

Alabes fijos

Rodete

Campana de succión


| 277

Bombas verticales

Son aquellas bombas centrífugas que están construidas con un eje de rota-ción en posición vertical. Casi siempre tienen el motor por encima de la bom-ba, por lo que pueden funcionar rodeadas por el líquido a bombear, ya que no le afectaría al motor que quedaría encima de esta.

Bombas autocebantes

Las bombas autocebantes o autoaspirantes son aquellas que se pueden cebar por sí solas. Estas bombas tienen un depósito de líquido lleno que man-tiene cebada siempre la bomba.

Sección de bomba centrífuga horizontal

Boquilla de descarga

Cojinetes

Lubricación

Eje

Sello

Boquilla de succión

Impulsor

Voluta

Bomba vertical

278 |


Bombas multietapas

Son aquellas bombas centrífugas que se utilizan para servicios donde se requieren cargas o presiones superiores que las generadas por una bomba de impulsor simple. Tienen más de un rodete y estos se encuentran dispuestos en serie, de manera que el líquido pasa de un rodete a otro y al final llega a la zona de descarga de la bomba. La carga total en estas condiciones será la suma de las cargas de cada uno de los impulsores.

2.3. Descripción de las partes principales del grupo motor-bomba: motor, reductora, acoplamiento, cabezal. Soporte del grupo motor-bomba, bancada y cimentación

El grupo motor-bomba está formado, principalmente, por un motor eléctrico que aporta la potencia suficiente, y por una bomba centrífuga impulsora del fluido. Estos deben ser fácilmente desmontables. Las partes principales del grupo motor-bomba son las que se detallan a continuación.

Motor, reductora, acoplamiento, cabezal

El accionamiento de las bombas centrífugas se efectúa normalmente con un motor eléctrico que aporta la potencia suficiente a la bomba para que esta se pueda mover, a través del acoplamiento. Los motores eléctricos más utiliza-dos para bombas centrífugas son los de la corriente alterna, tanto monofásicos como trifásicos, sobre todo, el trifásico de jaula de ardillas. Los motores eléc-tricos se estudiarán más adelante.

Sabía que...

El cebado de una bomba es llenar de líquido la conducción de aspiración y la carcasa de la bomba centrífuga para que así sea más fácil la aspiración o succión del líquido y no se produzcan bolsas de aire en este.


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En los motores, la velocidad de rotación del eje del motor suele ser superior a la necesaria para el accionamiento de la bomba centrífuga, y por ello, nor-malmente se utiliza un reductor mecánico de velocidad o del número de revo-luciones. Este equipo adapta la velocidad del motor a la que necesita la bomba centrífuga. Su funcionamiento puede llevarse a cabo mediante transmisiones por engranajes, correas, o incluso cadenas.

Por ejemplo, un reductor puede consistir en dos engranajes de diferentes tamaños, sumergidos parcialmente en aceite lubricante dentro de una carcasa. De esta carcasa salen dos ejes, uno que se une con el motor y otro que se une con la bomba centrífuga. La unión a estos elementos se realiza normalmente mediante acoplamientos flexibles para compensar pequeñas desalineaciones y amortiguar la transmisión de las vibraciones que se producen en alguna de las máquinas hacia las otras.

Aunque el acoplamiento se puede llevar a cabo entre el motor y la bomba, también se puede producir entre la bomba y el reductor de velocidad, como se ha comentado anteriormente.

Sabía que...

Un motorreductor es un equipo formado por un motor y un reductor cuya finalidad es adaptar la velocidad del motor a la velocidad que necesita el equipo al que esté acoplado.

Reductor de velocidad y bomba de un motorreductor

280 |


Existen dos tipos de acoplamientos, los flexibles y los rígidos. En los acopla-mientos rígidos, que son los que se utilizan normalmente entre motor y bomba, se transmite no solo el movimiento de rotación del motor, sino también el axial entre ambos, es decir, hacia arriba o hacia abajo. Debido a que es muy rígido debe estar muy bien alineado. Se pueden utilizar para el acoplamiento bridas u otros elementos mecánicos. El acoplamiento flexible tolera pequeños desali-neamientos y desplazamientos axiales, y normalmente se utiliza para aquellos casos en los que, aunque se alinee el acoplamiento, persiste cierto grado de desalineamiento.

El cabezal, que es el elemento de bombeo, está compuesto por la conduc-ción de aspiración, la voluta, el rodete, el eje y la conducción de impulsión.

Definición

AcoplamientoEs el elemento que conecta el motor y la bomba, y que hace solidario el eje del motor con el de la bomba, es decir, conecta los dos ejes para que puedan funcionar como uno solo.

Acoplamiento rígido Acoplamiento flexible


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Soporte del grupo motor-bomba, bancada y cimentación

Es necesario que en las bombas centrífugas horizontales, que son las más utilizadas, la bomba y el motor estén ubicados en una misma base o soporte que al mismo tiempo se pueda montar y desmontar fácilmente. Esto es nece-sario para evitar que el acoplamiento o el eje del motor o de la bomba puedan deteriorarse o romperse.

Lo habitual es que ambos estén montados sobre una base metálica o ban-cada, y que el fabricante lo distribuya así. Esta bancada descansará sobre una cimentación consistente en acero y hormigón (planchas de cimiento o de hormigón), calculada para soportar el peso de la bomba, el motor y la bancada metálica. La bancada estará fijada mediante pernos de anclaje a la cimenta-ción. Es muy importante que esta quede bien nivelada, y para ello, se utilizan en ocasiones cuñas de acero próximas a los pernos de anclaje, ajustando los pernos hasta obtener la nivelación óptima.

Recuerde

Las partes principales del grupo motor-bomba son el motor que mueve la bomba, el reductor que adapta la velocidad del motor a la de la bomba, el acoplamiento que conecta motor y bomba, y el cabezal, que es el elemento de bombeo.

Grupo motor-bomba con bancada metálica sobre plancha de hormigón

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Tipos de cierre. Alineación y vibración. Lubricación. Refrigeración de la bomba

Hay diferentes aspectos a tener muy en cuenta para en buen funcionamien-to de la bomba centrífuga. Estos se describen a continuación.

Tipos de cierre

El cierre o sellado es un sistema que impide que los líquidos puedan fugarse desde el interior de la bomba a través del espacio existente entre el eje y la carcasa, debido a que en el interior de esta existe una presión superior que en el exterior. Otra de las funciones del sellado es evitar la entrada de aire cuando la presión en el interior de la bomba es inferior a la atmosférica. Por tanto, este es imprescindible para el funcionamiento seguro de la bomba y para evitar la contaminación medioambiental.

Perno de anclaje para anclar la bancada metálica a la plancha de hormigón

Perno de anclaje

Zona de sellado del eje en una bomba centrífuga

Sello del eje

Eje


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En general existen dos tipos de sello en las bombas centrifugas: la empaquetadura y el cierre mecánico.

Empaquetadura

Están formados por unos anillos fabricados en materiales especia-les a base de hilo trenzado en algodón, sintético, grafitado o de poli-tetrafluoruro de etileno, y que son introducidos en una caja cilíndrica (estopero) y prensados con una brida o prensaestopas hasta formar el cierre sobre el eje de la bomba. Se trata de un cierre muy utilizado en todo tipo de bombas centrífugas.

Su ventaja es que son baratos, muy sencillos y fáciles de mante-ner. Su inconveniente es no se pueden utilizar con líquidos tóxicos y peligrosos para el hombre o el medio ambiente, ya que no son total-mente estancos.

Cierre mecánico

Se trata de un dispositivo de sellado consistente en dos anillos con superficies planas radiales. Uno de los anillos se encuentra montado sobre el eje de la bomba y tiene cierta flexibilidad para compensar el movimiento de este, y el otro se encuentra fijo a la carcasa. El sellado

Disposición de los anillos de empaquetadura

Empaquetadura

Prensaestopas

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se produce por el contacto a presión entre sus caras anulares (cara giratoria y cara estacionaria) que tienen un acabado sin rugosidades para mejor estanqueidad.

Existen diversos tipos de cierres mecánicos según la aplicación. El más habitual tiene un solo muelle que presiona ambos anillos de cie-rre entre sí, pero existen otros muchos modelos con múltiples muelles. Cuando se detecten fugas se debe cambiar el cierre mecánico.

Las ventajas del cierre mecánico son su alta estanqueidad, aunque no es totalmente estanco, y su bajo mantenimiento. El inconveniente es su alto coste que limitará su uso solo para aquellos casos en los que verdaderamente sean necesarios, como por ejemplo, para líquidos tóxicos y peligrosos para el hombre o el medio ambiente.

Alineación y vibración

El acoplamiento requiere tener un alineamiento adecuado para evitar que sufra algún daño el acoplamiento o los soportes del grupo motor-bomba. Cuando se compra una nueva bomba, esta viene alineada de fá-brica, pero siempre se debe comprobar antes de su puesta en marcha para verificar que no ha sufrido ninguna modificación durante el transporte, por ejemplo, por algún golpe.

Cierre mecánico

Cara estacionaria Cara giratoria


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Cuando se monte un grupo motor-bomba se debe proceder a la comproba-ción de la alineación del grupo. La forma de comprobar la alineación la indica-rá el fabricante en el manual de montaje y mantenimiento de la bomba. Una manera habitual de comprobación de la alineación es utilizar una regla sobre el acoplamiento, y en paralelo al eje, donde se debe tener la misma distancia desde la regla hasta el eje en todo el perímetro de este. Además, también se suele utilizar un calibre para comprobar que existe la misma distancia entre las dos mitades que componen el acoplamiento, por todas partes. La desviación entre las dos mitades no debe ser superior a 0,1 mm.

Si durante la comprobación de la alineación se detecta que el grupo no está alineado correctamente se debe proceder a alinearlo tal y como indique el fabricante en su manual de montaje y mantenimiento. La alineación es muy importante para evitar vibraciones y deterioro de elementos del grupo.

Para alinear el grupo se debe alinear el motor respecto a la bomba y no al revés. Una forma de llevarlo a cabo es añadiendo o eliminando cuñas en la unión o anclaje de las patas del motor con la bancada, de manera que pueda subir o bajar la altura del motor, y/o moviendo el motor horizontalmente para su correcta alineación. Después, siempre se comprobará la alineación tal y como se ha comentado anteriormente.

Definición

AlineaciónEs la operación en la que se manipula la situación horizontal y/o vertical del motor para que su eje quede totalmente alineado con el eje de la bomba.

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Lubricación y refrigeración de la bomba

Normalmente, como los cojinetes de las bombas centrífugas tienen mucho rozamiento y desgaste con el eje con el que están en contacto, deben ser lubricados con aceite o con grasa de calidad. Es necesario que los cojinetes estén en todo momento lubricados convenientemente, con el tipo de lubricante y en los periodos indicados en el manual de montaje y mantenimiento de la bomba. Algunos tipos de cojinetes no necesitan lubricación, pero no es lo habitual.

Normalmente existen dos sistemas de lubricación en las bombas cen-trífugas de tamaño mediano-grande:

Comprobación de la alineación de un acoplamiento con una regla y un calibre

Regla

Regla

a

a

b

b

Calibre

Definición

CojinetesSon elementos cuya función es mantener el eje de la bomba que se encuentra en movimiento correctamente alineado respecto las partes estacionarias de esta.


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� El primer sistema es el utilizado en las bombas centrífugas de altas velocidades. Este consiste en un sistema de circulación de aceite automático que en algunos casos está formado por una bomba más pequeña que toma el aceite del depósito y lo lleva hasta el cojinete. Este método necesita un sistema de refrigeración del aceite, por ejemplo, mediante agua, para enfriarlo antes de enviarlo al cojinete. Parte de este aceite vuelve a caer por gravedad en el depósito.

� El segundo sistema, utilizado en bombas centrífugas de bajas velo-cidades, es la utilización de varios anillos de acero con una ranura que se encuentra situado en el eje y que giran con este, de tal ma-nera que cuando el eje está en movimiento, la ranura de cada anillo se llena en el depósito de aceite (zona inferior) y lo descarga en cada cojinete (zona superior).

Como se ha comentado, las bombas centrífugas tienen un depósito de almacenaje de aceite para la lubricación de los rodamientos, donde para controlar el nivel se puede tener mirilla, varilla u otro sistema.

La empaquetadura es un tipo de sellado de contacto y por tanto existe una fricción o rozamiento entre esta y el eje, por lo que debe ser lubricada y enfriada para evitar su rápido deterioro o desgaste. Para ello, si el líqui-do a bombear es adecuado, es decir, un líquido limpio como el agua, se utiliza este líquido como refrigerante y lubricante de la empaquetadura.

Aceite en depósito para la lubricación de cojinetes

Máx

Tapón con varilla de nivel

Cojinetes

Mín

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Normalmente esta lubricación y refrigeración se produce por un ligero goteo del líquido bombeado, lo que es necesario para su buen funcionamiento.

Cuando el líquido a bombear no es adecuado para la refrigeración de la empaquetadura, es decir, con partículas o contaminado, o cuando se utilice el cierre mecánico como sellado, se debe tener un sistema de con-ducción que aporte líquido para refrigerar el sellado desde el exterior, por ejemplo, de agua. Existen cierres mecánicos que no necesitan refri-geración, pero no es lo habitual. Las bombas centrífugas deben tener la posibilidad de utilizar ambos métodos de refrigeración.

Operación (arranque y parada). Problemas comunes de las bombas centrífugas

Para manejar una bomba centrífuga es necesario conocer tanto las opera-ciones como los problemas comunes de esta.

Operación (arranque y parada)

Las operaciones de una bomba centrífuga consisten en el arranque y la parada de la bomba.

Arranque de la bomba

Los pasos para poner en marcha una bomba centrífuga dependen del tipo de bomba y del servicio que presta. En algunas instalaciones es necesario realizar actuaciones que en otras no son necesarias. Para una bomba movida por un motor eléctrico con una válvula de com-

Importante

Para ello, el prensaestopas se aprieta hasta que se produzca un goteo de entre veinte y cincuenta gotas por minuto, aproximadamente, que se deberá mantener y controlar.


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puerta cerrada en la conducción de impulsión se deben seguir los siguientes pasos:

Si en la conducción de impulsión se tiene una válvula de reten-ción cerrada cuando se pone en marcha el bombeo, los pasos son los mismos, pero la válvula de compuerta se abre justo antes de poner en marcha el motor.

El procedimiento de parada de una bomba, al igual que su puesta en marcha, depende del tipo de bomba y de su servicio. El procedi-miento para detener la bomba que se acaba de poner en funciona-miento es el siguiente:

Arranque de bomba centrífuga

1. Cebar la bomba. Para ello se debe abrir la válvula que se encuentra al principio de la conducción de aspiración (válvula de aspiración), llenando de líquido la carcasa de la bomba. Purgar el aire o vapor por el purgador situado en la zona superior de la carcasa, es decir, abrir un elemento que puede ser un tornillo o una válvula que deje salir a la atmósfera todo el aire o vapor existente en el interior de la bomba.

2. Abrir la válvula del circuito de refrigeración para suministrar líquido de refrigeración a la lubricación, si tiene la bomba.

3. Abrir la válvula del circuito de agua (normalmente se utiliza agua) para suministrar líquido de refrigeración y lubricación a la empaquetadura o al cierre mecánico, si se tiene en la bomba.

4. Abrir la válvula de suministro del líquido de bombeo a la empaquetadura, si se tiene en la bomba. 5. Comprobar la lubricación de los cojinetes, y en su caso, abrir la válvula y poner en funcionamiento la

bomba de impulsión del lubricante.6. Comprobar el buen estado del motor, sus aparatos de maniobra y sistema auxiliar de refrigeración.7. Arrancar el motor. 8. Abrir la válvula de descarga o impulsión lentamente cuando se alcance la presión normal. 9. Comprobar cómo gotean los sellos, y manipular la válvula del líquido del sellado para obtener un

caudal adecuado de lubricación y refrigeración de la empaquetadura.10. Verificar que el funcionamiento del grupo motor-bomba es el correcto.

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Problemas comunes de las bombas centrífugas

Los problemas comunes en las bombas centrífugas y sus posibles mo-tivos son los siguientes:

Parada de la bomba centrífuga

1. Cerrar la válvula de compuerta o de impulsión. 2. Parar el motor. 3. Cerrar bomba y válvula de suministro de lubricante, en su caso.4. Cerrar la válvula del circuito de refrigeración para suministrar líquido de refrigeración a la

lubricación, en su caso. 5. Cerrar la válvula de suministro del líquido de bombeo a la empaquetadura, en su caso.6. Cerrar la válvula del circuito de agua para suministrar líquido de refrigeración y lubricación a la

empaquetadura o al cierre mecánico, en su caso.7. Cerrar la válvula de aspiración y abrir la purga de presión.

No llega caudal o el caudal bombeado es insuficiente

La bomba no se ha cebado.Los conductos del impulsor están parcialmente obstruidos.Entra aire por la conducción de aspiración.El sentido de rotación de la bomba no es el correcto.La velocidad de rotación de la bomba es demasiado baja.La válvula de aspiración o la tubería de aspiración no están sumergidas lo suficiente.Existen defectos mecánicos, por ejemplo, el rodete está dañado.

La bomba no aspira o lo hace con dificultad

Existe aire en la conducción de aspiración.Entra aire en la tubería de aspiración.La bomba se desceba.Conducción y/o válvula de aspiración obstruida o cerrada.



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La bomba sobrecarga el motor

Velocidad demasiado alta.El líquido tiene una viscosidad o un peso específico que no coincide con el que se utilizó para seleccionar la bomba.El sentido de rotación de la bomba no es el correcto.El prensaestopas está muy apretado y causa un rozamiento o fricción en la caja de empaquetadura.Existen defectos mecánicos como, por ejemplo, una mala alineación, cojinetes deteriorados o gastados, el eje deformado, etc.

La bomba se desceba después de la puesta en marcha

Entra aire en la tubería de aspiración. El líquido lleva aire o gases.No funciona bien el cierre mecánico, y entra aire.La tubería de aspiración no está suficientemente sumergida.

La bomba vibra

La bomba no está bien alineada.La cimentación no es lo suficientemente rígida.El impulsor está parcialmente obstruido.Hay aire o vapor en el líquido.Existen defectos mecánicos como que los cojinetes están deteriorados o gastados, el eje está curvado, o los elementos giratorios se agarrotan.

El grupo electrobomba no gira o lo hace con dificultad

No llega fuerza eléctrica al motor.Motor eléctrico quemado.Roce en elementos interiores de la bomba.

La presión es excesiva

El número de revoluciones por minutos es demasiado alto.

Los rodamientos se calientan excesivamente

El grupo está mal alineado.La tubería produce tensiones.Tiene poco aceite o el aceite es de mala calidad.No funciona correctamente el sistema de refrigeración del lubricante.No funciona correctamente el sistema de lubricación.



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2.4. Bombas de hélices. Turbobombas. Bombas verticales y horizontales. Operación en serie o en paralelo

Existen diferentes tipos característicos de bombas centrífugas que es con-veniente conocer, como son las bombas de hélice, las turbobombas, las ver-ticales y las horizontales. Es importante saber también las posibilidades de operaciones de más de una bomba.

Bombas de hélice

Se utilizan para conducir grandes caudales a pequeñas alturas. Habitual-mente se diseñan para flujos de más de 450 m3/h y para vencer alturas de hasta 15 m. Son bombas muy simples que consisten en una hélice de palas de empuje o flujo axial confinada con escasa holgura dentro de la tubería de impulsión. Esta hélice al girar empuja el líquido que sale del rodete según un plano perpendicular al eje o según una trayectoria ligeramente inclinada con relación a un plano perpendicular al eje del rodete. Su utilización más adecua-da es en los sistemas de circulación de lazo cerrado, en los que la carcasa de la bomba puede considerarse como un codo de la conducción.

Bomba centrífuga de hélice

Salida

Entrada

Hélice

La bomba pierde líquido en el eje

El cierre mecánico está deteriorado.El empaquetado está gastado.



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Turbobombas

Las turbobombas o bombas de turbina son impulsores de flujo mix-to, es decir, tienen una parte axial y otra parte centrífuga. Se utilizan para capacidades de 20 m3/h o superiores y para vencer alturas de hasta 30 m aproximadamente por etapa. El fluido penetra paralelamente al eje del rodete y es dirigido por las palas o álabes hacia la periferia del rodete.

Las turbobombas más comunes se caracterizan por tener el elemento de bombeo montado en la base de una columna que sirve como tubería de descarga. Estas unidades se sumergen en el líquido que se va a bombear y normalmente se utilizan para pozos, drenaje de gran volumen, etc. Por tanto, son sumergibles.

Otras turbobombas se caracterizan porque presentan una carcasa que rodea al elemento de bombeo, conectado a la tubería de admisión. Estas se utilizan con asiduidad en operaciones de proceso en refinerías de petróleo.

Turbobomba

Rotor

Estator

Motor

Brida

Rodamientos

LubricaciónRefrigeración

por agua

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Bombas verticales

Son bombas con el eje de giro en posición vertical. Se pueden utilizar tanto en seco como sumergidas en el líquido a bombear.

En las bombas verticales no sumergidas el motor puede estar situado próximo a esta o muy por encima. Es fundamental elevar el motor para protegerlo de una posible inundación y/o para hacerlo más accesible, como por ejemplo, el caso de un pozo. La succión o aspiración en las bombas verticales de gran tamaño es lateral y, por tanto, horizontal, y necesitan poca superficie horizontal para su montaje, pero es necesario un espacio vertical superior amplio para montarla y desmontarla.

Nota

Su utilización habitual es en pozos, siendo las de caudales grandes más baratas que las horizontales, pero las de caudales pequeños son más caras.

Bomba centrífuga vertical no sumergible


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En las bombas verticales sumergidas el impulsor o rodete se encuentra rodeado por el líquido a bombear aunque este se encuentre parado, por lo que en este tipo de bombas no aparece el problema del cebado, y la bomba está siempre disponible para su funcionamiento. La succión o aspiración se lleva a cabo por debajo a una profundidad determinada con respecto el nivel del líquido. Estas bombas ocupan una superficie mínima. Su pre-cio es más elevado que las horizontales y el mantenimiento también, ya que para cualquier reparación se deben desmontar e izar a la superficie, porque siempre se encuentran en pozos o en lugares inaccesibles. Deben estar bien lubricadas y con lubricantes adecuados, puesto que su eje, al ser muy alargado, somete a los cojinetes a un esfuerzo muy duro.

Bombas horizontales

Son aquellas bombas centrífugas con el eje de giro en posición horizontal.

Este tipo de bombas se utilizan en seco, es decir, no son sumergibles, y por tanto, el líquido llegará hasta ellas por medio de la conducción de aspiración. Antes de ponerlas en funcionamiento, si no son autocebantes, deben ser ce-badas, lo que no es fácil si está situada físicamente por encima del nivel del líquido, que es lo normal.

Bomba centrífuga vertical sumergible

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Son más económicas que las bombas verticales, excepto las horizontales de gran tamaño, y el mantenimiento es también bastante más económico y sencillo. Su desmontaje normalmente se lleva a cabo sin mover el motor y sin manipular las conducciones de aspiración e impulsión.

Operación en serie o paralelo

La operación de bombas en serie se utiliza con mucha frecuencia, sobre todo, cuando se trata de efectuar la impulsión de un líquido a una gran altura y si no se tiene una bomba con la potencia necesaria para alcanzarla en una sola etapa de bombeo.

Cuando dos o más bombas están en serie, el caudal de salida de una de ellas es el mismo caudal de entrada de la siguiente, pero en esta operación aumenta la energía del líquido y se puede elevar el fluido a una altura mayor. La altura de elevación de estas bombas en serie es la suma de las alturas de elevación de todas estas para un mismo caudal.

Bomba horizontal


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La operación de bombas en paralelo no suele ser tan frecuente como la an-terior. Dos o más bombas centrífugas están trabajando en paralelo cuando sus caudales se suman para conseguir uno mayor. En este caso, la altura manomé-trica total de las diferentes bombas se mantiene constante, y se suman los dife-rentes caudales. Para dos bombas iguales en paralelo, los caudales se duplican, para tres bombas iguales se triplican, etc. Para este caso, la potencia resultante es la suma de las potencias de los equipos individuales y el valor de la eficiencia será el mismo para una sola bomba que para varias iguales en paralelo.

Importante

Si son iguales las bombas que están en serie, cuando hayan dos, la altura se duplicará, con tres se triplicará, etc. Si son iguales las bombas, la eficiencia será la misma y las potencias también se duplicarán, triplicarán, etc.

Gráfico de dos bombas en serie

150

h

h

Curva H-Q de dos bombas en serie

Curva de eficiencia para los dos casos

Efici

enci

a %Ca

rga

tota

l en

pies

Caudal en gpm

Curva H-Q de una bomba

500 1000 1500 2000

140130120

110

1009080 80

70 7060 6050 5040 4030 3020 2010 10

0 0

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2.5. Regulación de la descarga de la bomba. Detalles mecánicos

Existen diferentes formas de regular las bombas, aunque todas tienen como inconveniente que producen inestabilidad y/o disminución del rendimiento en la operación. Al regular las bombas, es decir, cambiar el caudal, se deben revi-sar de nuevo las curvas características y obtener de nuevo sus variables de fun-cionamiento que habrán cambiado porque dependen del caudal. Las diferentes formas de regulación de las bombas son las que se detallan a continuación.

Regulación por estrangulamiento de la aspiración

Al instalar una válvula de control o de regulación en la tubería de aspiración y próxima a la bomba se reduce el caudal de entrada a la bomba, y por tanto, también el de salida de esta.

Definición

RegulaciónEs la operación que permite variar el caudal de impulsión o descarga de la bomba.

Gráfico de dos bombas en paralelo

Curva H-Q de dos bombas en paralelo

H1

Q1 2Q1

Curva de eficiencia de 2 bombas

iguales en paralelo

Curva de eficiencia de una bomba

Carg

a to

tal e

n pi

es

Caudal en gpm

Curva H-Q de una bomba


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No es la mejor forma de regulación porque se utiliza solo para reducir el caudal a costa de una bajada en el rendimiento de la bomba.

Regulación por desvío o by-pass

Consiste en instalar en la conducción de la impulsión, junto a la salida de la bomba, un desvío o by-pass mediante una conducción con una válvula de control o regulación para realimentar la tubería de aspiración con el caudal que no se quiera impulsar.

Regulación por estrangulamiento de la impulsión

Consiste en instalar una válvula de control o de regulación en la conducción de la impulsión junto a la bomba para regular el caudal de salida de esta. El caudal será nulo cuando la válvula esté cerrada y será máximo cuando esté totalmente abierta.

Es la forma más habitual de realizarlo porque aunque afecta al rendimiento de la bomba, lo hace en menor proporción.

Consejo

Si se quiere impulsar todo el caudal se puede cerrar la válvula de regulación.

Regulación del caudal con válvula de control

Succión

Bomba

Válvula de control

Descarga

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Regulación por variación de la velocidad de giro del motor

Se consigue variando la velocidad de giro del motor que mueve la bomba centrífuga, es decir, las r. p. m. Si se tienen las curvas para la bomba cen-trífuga, reduciendo las r. p. m., se pueden obtener cuáles son los valores de las variables características de estas curvas. Se puede utilizar un variador de frecuencia que es un equipo electrónico usado para controlar y regular la velo-cidad rotacional en motores de corriente alterna.

Recuerde

La regulación de la descarga de una bomba centrífuga se puede llevar a cabo por estran-gulamiento de la aspiración, de la impulsión, por desviación o by-pass, y por variación de la velocidad de giro del motor.


Imagine que trabaja en la empresa “Bombas Energéticas, S. A.”, y una bomba centrífuga ho-rizontal que llevaba varios días funcionando empieza a enviar muy poco caudal al destino del bombeo. Rápidamente le llaman ya que conoce muy bien la bomba para detectar cuál es el problema. Usted se acerca y empieza a revisarla y advierte que la bomba gira a su velocidad normal y que la tubería de aspiración está bastante sumergida en el depósito. Indique cuál debe ser el problema que tiene la bomba centrífuga, si hace varios días se le hizo una revi-sión completa de la instalación y de sus elementos mecánicos internos en la que se compro-bó que tanto las conducciones como todos los elementos de la misma están en buen estado.

SOLUCIÓN

El problema debe estar en que existe una obstrucción de algún tipo en la conducción de aspi-ración, por descarte del resto de causas posibles:

La bomba no se ha cebado: se descarta porque la bomba lleva varios días en funcionamiento.



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Imagine que trabaja en la empresa “Bombas Energéticas, S. A.”, y a una bomba centrífuga horizontal se le ha realizado una revisión completa de la instalación y de sus elementos mecánicos internos en la que se comprobó que tanto las conducciones como todos los elementos están en perfectas condiciones. Cuando se ha puesto en funcionamiento se ha comprobado que no llega apenas caudal al destino, hace ruido y vibra, y se ha parado inme-diatamente. Rápidamente, le llaman para detectar cuál fue el problema. Usted se acerca, empieza a revisarla y le pregunta a la persona que la puso en marcha cómo lo hizo. Esta indica que conectó las bombas de refrigeración y lubricación de la bomba, arrancó el mo-tor y finalmente abrió lentamente la válvula de descarga. ¿Cree que ha realizado correcta-mente las actuaciones de la puesta en marcha? Razone la respuesta e indique, en su caso, cómo debió hacerlo. ¿Cuál es el problema que tiene la bomba? ¿Cómo se debe solucionar?

SOLUCIÓN

No ha realizado correctamente la puesta en marcha de la bomba, debido a que no ha cebado la bomba previamente. Debió abrir la válvula de aspiración y llenar de líquido de bombeo la conducción de aspiración y la carcasa de la bomba. Después debió purgar el aire o vapor por el purgador situado en la zona superior de la carcasa de la bomba.

El problema es que hay aire en la bomba y en las conducciones por no cebar la bomba.

Se debe solucionar cebando la bomba antes de ponerla de nuevo en funcionamiento (de la forma que se acaba de indicar).

Entra aire por la conducción de la aspiración: se descarta porque la conducción ha sido re-visada unos días antes sin tener ningún problema y la tubería de aspiración está bastante sumergida, por lo que tampoco puede entrar aire.

El sentido de rotación de la bomba no es el correcto: se descarta porque la tubería lleva varios días funcionando, por lo que en tal caso, hubiese ocurrido el problema al arrancar el motor.

Existen defectos mecánicos: se descarta porque se le hizo hace varios días una revisión com-pleta a los elementos de la bomba.


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3. Bombas de desplazamiento positivo

Son equipos de impulsión de líquido mediante pulsos u oscilaciones que desplazan el líquido que se encuentra entre el elemento impulsor (pistón, aspa, diente de engranaje, etc.) y su carcasa o cilindro. Por tanto, no son bombas que desplacen el líquido de forma continua como lo hacen las bombas centrífugas. Se caracterizan porque se utilizan con pequeños caudales y altas presiones y tienen muy buena utilidad como bombas dosificadoras en los pro-cesos químicos, de tal manera, que van suministrando cada cierto tiempo al proceso un volumen fijo de líquido, por ejemplo, un catalizador o un reactivo.

3.1. Variables características (caudal y presión)

Aunque hay determinadas variables fundamentales para el diseño de las bombas de desplazamiento positivo, como son el consumo, el rendimiento, la altura de impulsión o la aspiración, las dos más importantes son el caudal y la presión.

El caudal es el volumen que mueve la bomba por unidad de tiempo y por cámara de bombeo menos las pérdidas de líquido que se tengan, por ejemplo, por fugas. El caudal es constante mientras está en funcionamiento la bomba, pero este se puede cambiar antes de su uso.

La presión es también una variable fundamental para evitar destrozos y ro-turas en la bomba y la tubería debido a las altas presiones que se consiguen en

Nota

El caudal se puede modificar para un mismo tamaño de bomba, por ejemplo, modificando su velocidad o en las bombas mecánicas, modificando un tornillo regulable en el cigüeñal que hace desplazar el pistón.


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este tipo de bombas cuando la válvula de impulsión está cerrada. La presión de impulsión, que es la presión generada por la bomba, suele ser muy alta, llegan-do incluso a valores que ponen en peligro la bomba y las instalaciones. Por ello tienen instalada una válvula de seguridad tarada a una presión máxima de traba-jo para evitar destrozos en la bomba. La presión necesaria para mover el líquido a su destino la aporta el fabricante para diferentes condiciones de operación de la bomba y hay que seleccionar la adecuada para mover el líquido a su lugar y que no sea tan alta como para que pueda sufrir algún deterioro la instalación.

3.2. Tipos de bombas de desplazamiento positivo (pistón, émbolo, membrana)

Las bombas de desplazamiento positivo pueden ser de dos tipos: alternati-vas o reciprocantes y giratorias o rotatorias.

Hay tres clases de bombas alternativas: pistón, émbolo y membrana o dia-fragma, aunque el funcionamiento de estas puede llevarse a cabo de dos for-mas: mediante acción directa o mecánicamente. Por este motivo se pueden distinguir también las bombas alternativas en bombas de acción directa y bom-bas mecánicas.

Por otro lado las bombas giratorias pueden tener el rotor simple o múltiple, y pueden estar compuestas de diferentes elementos de desplazamiento como paletas deslizantes, tornillos sin fin, engranajes o lóbulos.

Definición

RotorEn las bombas giratorias es el elemento móvil que desplaza el líquido en su interior desde que entra hasta que sale.

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Bombas mecánicas y bombas de acción directa

Las bombas de desplazamiento positivo alternativas o reciprocantes pueden ser bombas de acción directa y bombas mecánicas o de potencia.

Bombas de acción directa

Básicamente se trata de un eje de pistón que está conectado por un lado con un pistón de vapor y por el otro lado con un pistón de líquido. El de vapor es el que genera movimiento en el de líquido. También puede estar conectado en vez de con un pistón con un émbolo. Las conectadas con un pistón son las bombas de pistón y las conectadas con un émbolo, las bombas de émbolo. A estas bombas también se las denomina de sim-ple acción, ya que las de doble acción están formadas por dos pistones o émbolos de vapor y otros dos de líquido.

Se caracterizan porque bombean de forma pulsante una cantidad con-creta de líquido durante el movimiento de pistón o émbolo.

Además pueden ajustar fácilmente variables como altura de impulsión, capacidad o caudal, y velocidad. Tienen buena eficacia, y normalmente, las bombas de émbolo se utilizan para presiones más elevadas que las bombas de pistón. Se emplean para servicios de presiones medias o bajas, para alimentar calderas, bombear lodos, agua o aceite.

Desplazamiento positivo

Alternativas Giratorias

Pistón Embolo Membrana Rotor simple Rotor múltiple

Acción directaMecánicas

Paletas deslizantesTornillos sin fin

EngranesLóbulos

Tornillos sin fin


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Bombas mecánicas

Las bombas mecánicas que también son conocidas como bombas de potencia están constituidas por un cigüeñal movido normalmente por un motor eléctrico, en vez de por un pistón o émbolo de vapor. Habitual-mente, entre el motor y el cigüeñal, se utilizan engranajes para reducir la velocidad del motor. Este cigüeñal mueve un pistón o un émbolo que desarrollará una presión muy elevada sobre el líquido cuando se cierre la válvula de descarga. Estas bombas también descargan de manera pulsan-te una cantidad definida de líquido.

Debido a la alta presión que se produce, estas tienen una válvula de alivio de presión para proteger la bomba y las conducciones.

Cuando funcionan a velocidad constante proporcionan un gasto casi invariable para una amplia variación de alturas de impulsión con muy buena eficiencia.

Se utilizan para servicios de alta presión, y en algunas ocasiones ali-mentar calderas o bombear en líneas de tuberías. Pueden ser horizontales o verticales.

Bombas de membrana

Las bombas de membrana o diafragma funcionan de manera similar a las de pistón y émbolo, con la diferencia que su dispositivo impulsor es un diafragma flexible que puede estar fabricada en metal, plástico o caucho.

Esquema de bomba de pistón

Succión

Descarga

Salida

Entrada

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Este tipo de bombas no requiere el uso de sellos ni empaque, por lo que son ideales para utilizarlos en el manejo de líquidos tóxicos o peligro-sos. Las membranas de caucho soportan bastante mejor la corrosión y la erosión que los elementos metálicos de otras bombas alternativas. Otro de sus empleos es el bombeo de productos químicos.

Bombas giratorias. Bombas de lóbulos. Bombas de paletas deslizantes. Bombas de engranajes. Bombas de husillo o tornillo sin fin

Las bombas giratorias o rotatorias son aquellas en las que el desplazamien-to del líquido tiene lugar debido a la rotación de uno o varios dispositivos que están situados en el interior del cuerpo de la bomba.

Las bombas giratorias o rotatorias pueden ser de rotor simple o de rotor múltiple. En las de rotor simple, todos los elementos que giran lo hacen con

Bomba de membrana o diafragma

Recuerde

Las bombas mecánicas y las bombas de acción directa pueden ser tipo pistón, émbolo o membrana. En las bombas de acción directa, el movimiento lo genera un pistón o un émbolo de vapor, y en las bombas mecánicas, lo genera un motor que normalmente es eléctrico y un cigüeñal.


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respecto a un solo eje, mientras que en las de rotor múltiple, los elementos que giran lo hacen con respecto a uno o más ejes.

Existen diversos tipos de bombas giratorias, estas se describen a conti-nuación.

Bombas de lóbulos

En este tipo de bombas, el líquido es desplazado, desde que entra hasta que sale de la bomba, por los lóbulos, ya que se encuentra atrapado entre ellos.

Bombas de paletas deslizantes

En este tipo de bombas, que también se denominan bombas de aspas deslizantes, el líquido se desplaza entre las paletas o aspas desde que entra hasta que sale de la bomba. Las paletas pueden tener diferentes

Importante

Los lóbulos deben girar sincronizados y también tienen la función de sellado de la carcasa, para evitar que escape líquido de la bomba.

Bomba de lóbulos

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formas, pueden ser curvas, rectas, etc., y también pueden estar situadas en el rotor o en el estator (carcasa).

Bombas de engranaje

El líquido es conducido entre los diferentes dientes de los engranajes que también tiene la función de sellado de la carcasa para evitar que es-cape líquido de la bomba. Existen diversos modelos con diferentes tipos de engranajes. Tienen un solo rotor para los engranajes.

Etapas de bombas de engranaje

(1) (2) (3)

Bomba de engranaje

Bomba de paletas deslizantes

Eje

Estator

Rotor

Paleta


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Bombas de husillo o tornillo sin fin

Estas bombas pueden ser de tornillo sin fin simple o múltiple. En las bombas de tornillo sin fin simple, el líquido se desplaza entre el tornillo sin fin y la coraza o estator, arrastrado por el movimiento del tornillo.

En las bombas de tornillo sin fin múltiples, el líquido es arrastrado por el empuje de dos tornillos sin fin que se encuentran situados parale-lamente, y el líquido se mueve entre ellos. Las bombas de tipo múltiple pueden tener varios tornillos sin fin en paralelo, de forma que el líquido es arrastrado entre ellos.

Bomba de tornillo sin fin simple

Bomba de tornillo sin fin doble

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Detalles de construcción (válvulas del cilindro, amortiguadores de pulsación y estabilizadores de aspiración, bypasses y válvulas de alivio, dispositivos de desplazamiento variable, empaquetadura, lubricación)

Para el buen funcionamiento de una bomba alternativa es necesario cono-cer, además de la bomba en sí, todos los equipos y elementos que lo acom-pañan para poder llevar a cabo adecuadamente el bombeo. Estos equipos y elementos son los que se describen a continuación.

Válvulas de cilindro

Las válvulas del cilindro son la válvula de entrada del líquido al cilindro de la bomba por la conducción de succión, y la válvula de salida del líqui-do del cilindro por la conducción de descarga. Ambas están a la entrada y salida del cilindro respectivamente. Estas dos válvulas son de retención, y en muchos casos de tipo bola. Por tanto dejan pasar el líquido en el sen-tido correcto, pero no en el inverso.

Cuando el pistón o émbolo se mueve en dirección contraria a la válvula de admisión o entrada, esta se abre debido al vacío que crea el pistón o émbolo ya que no hay líquido en el cilindro, y la válvula de salida se cierra al ser una válvula de retención. Así es como entra el líquido en el cilindro y se llena. Cuando el pistón o émbolo se desplaza en dirección hacia donde se encuentra el líquido, la válvula de admisión o entrada se cierra y se abre la válvula de salida, produciéndose la salida del líquido del cilindro. Así es como se produce el bombeo pulsante. Una de estas válvulas siempre está abierta.

Amortiguadores de pulsación

Es una cámara que se coloca en las conducciones de la válvula de retención de salida y de la válvula de seguridad. El líquido bombeado que ha sido comprimido en la bomba se hace pasar por el amortiguador para suavizar o amortiguar las oscilaciones, pulsaciones o variaciones de pre-sión producidas, evitando así posibles roturas de conducciones y válvulas, vibraciones en conducciones o caudales irregulares, de manera que a la


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salida de estos, la presión sea prácticamente constante. Se montan lo más cerca posible de la válvula de salida de la bomba.

El funcionamiento del amortiguador es el siguiente: la alta presión con la que sale el líquido de la bomba hace que pueda entrar en el amortigua-dor, comprimiendo el gas que está en su interior. Cuando la bomba empie-za el nuevo ciclo, y la válvula de salida de la bomba está cerrada, no sigue entrando flujo en el amortiguador, por lo que el gas se expande haciendo que la cámara empuje el líquido y este salga hacia la línea de descarga.

Son botellas o contenedores a presión soldados de acero inoxidable o al carbono que en su interior tienen un gas y normalmente un membrana para evitar la mezcla entre el gas y el líquido bombeado. Constan de una válvula que envía el caudal hacia el interior de los amortiguadores. Su montaje es vertical, quedando la botella hacia arriba.

Estabilizadores de aspiración

Son botellas o contenedores soldados que actúan como acumuladores de líquido, y que permiten estabilizar el caudal y la presión en la entrada a la bomba, evitando también la cavitación en esta.

Amortiguador de pulsaciones

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Se trata de un contenedor soldado que se monta justo antes de la vál-vula de entrada del líquido al cilindro, y con el que se puede llenar la bom-ba en cada ciclo. Su montaje es vertical, quedando la botella hacia arriba.

El funcionamiento del estabilizador es el siguiente: el líquido circula hasta el estabilizador cuando la válvula de entrada al cilindro está cerra-da, llenando el estabilizador que es un acumulador de líquido, y sale de él cuando la válvula de entrada a la bomba se abre. Así se mantienen el caudal y la presión constantes, evitando posibles fluctuaciones de estos.

Bypasses

En la conducción de impulsión de salida de la bomba se instalará un by-pass mediante una conducción con una válvula de control o regulación que se conectará con el lugar de donde se toma el líquido a bombear. Por tanto se trata de una realimentación de la instalación que no se conecta

Bomba con amortiguador de pulsación y estabilizador de aspiración

Estabilizador de aspiración

Bomba de desplazamiento positivo

Amortiguador de pulsación

Válvula

Tanque

Descarga

Nota

También se utilizan para eliminar el posible aire o vapor que pueda contener el líquido.


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con la línea de aspiración o succión de la bomba, evitando un lazo que pueda provocar el calentamiento de esta.

Por otro lado, la descarga de las válvulas de alivio por las que se con-duce el líquido a presión superior a la de tarado cuando sale de la bomba, mediante un by-pass, también se realimenta con el lugar de donde se toma el líquido a bombear.

Válvulas de alivio

Debido a la alta presión producida en una bomba alternativa se instala una válvula de alivio de presión (válvula de seguridad) para proteger la bomba y las conducciones de las altas presiones que se producen en el bombeo. Para ello se conecta en la línea de descarga, a continuación de la válvula de salida del cilindro, una válvula de alivio para que cuando se supere la presión de tarado se abra aliviando el sistema. La presión de tarado nunca puede ser superior a la presión máxima de la bomba. La válvula de seguridad debe estar lo más cerca posible de la bomba, y no debe haber instalada ninguna válvula entre la de retención de salida del cilindro y esta.

Dispositivos de desplazamiento variable

Es un dispositivo necesario para el control y la medida del caudal de las bombas de desplazamiento positivo, ya que en estas, al ser pulsantes, no es fácil su medición. Existen en el mercado equipos electrónicos para dicho control y medida, y para el control y medición de otras variables del

Definición

By-passEs un camino o una vía alternativa, o un desvío en una conducción.

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proceso. Además, en la entrada y salida de la bomba se deben tener indi-cadores de presión y temperatura. También se debe tener en la instalación un filtro en la línea de aspiración y otro en la recirculación.

Empaquetadura

Como se sabe, el empaque o la empaquetadura es el material utilizado para evitar el escape del líquido entre la parte móvil y la fija de la bomba. La empaquetadura en las bombas de pistón se introduce entre la varilla del pistón en su paso por el cilindro (cabezal de pistón).

Hay diversas formas de cajas de empaque en función del diseño del fa-bricante y diversos tipos de anillos de empaque para las bombas de pistón, entre los que se encuentran, como los más utilizados, el empaque con ani-llos elastómeros de sección cuadrada (que es mejor para altas presiones) y el de sección en “V”. Normalmente los comprime un prensaestopas que no se debe apretar demasiado ni dejar demasiado flojo. El fabricante debe indicar qué empaque utilizar y qué tipo de elastómero. Normalmente estos anillos necesitan lubricación externa.

Lubricación

Entre el pistón y el cilindro se produce rozamiento por lo que se necesi-ta un sistema adecuado de lubricación cuando el líquido a bombear es un líquido poco lubricante, como puede ser el agua, o que no sea adecuado, como pueden ser líquidos con partículas abrasivas.

Nota

Esta lubricación en función del diseño y tamaño podrá realizarse mediante aceite o grasa en aceiteras, graseras o un sistema de lubricación mediante conducciones y con un depósito de almacenamiento.


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Tipos de cierre. Operación (arranque y parada)

Otros dos aspectos que se debe conocer son el tipo de cierre y las operacio-nes de arranque y parada de una bomba de desplazamiento positivo.

Tipos de cierre

Tal y como se acaba de comentar, el tipo de cierre utilizado normal-mente en este tipo de bombas es de tipo empaquetadura de alta presión con anillos elastómeros de sección cuadrada para altas presiones o de sección en “V”.

Operación (arranque y parada)

La operación de una bomba de desplazamiento positivo puede ser de arranque o de parada.

Arranque de la bomba

Los pasos para el arranque de la bomba de desplazamiento positivo son los siguientes:

Arranque de bomba de desplazamiento positivo

1. Verificar la conducción de succión y descarga, comprobando que los filtros no están obstruidos y que todas las válvulas están en la posición correcta, tanto las de aspiración como las de descarga, y sobre todo, las manuales.

2. En las válvulas giratorias se debe cebar la bomba y llenar el sellado con líquido para evitar que arranque la bomba en seco.

3. Inspeccionar aceiteras o graseras en función del tipo de lubricación utilizada en la bomba y sus accesorios, y abrir válvulas, en su caso.

4. Comprobar el buen estado del motor, sus aparatos de maniobra y sistema auxiliar de refrigeración.5. Poner en marcha la bomba. 6. Comprobar cómo gotean los sellos y si el prensaestopas está flojo o muy apretado, manipularlo.7. Verificar que el funcionamiento de la bomba es el correcto.

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Parada de la bomba

Los pasos para la parada de la bomba de desplazamiento positivo son los siguientes:

Problemas comunes de las bombas de desplazamiento positivo

Los problemas comunes de operación de bombas de desplazamiento posi-tivo y sus posibles motivos son:

Parada de bomba de desplazamiento positivo

1. Parar el motor. 2. Cerrar válvulas de aspiración y descarga.

No llega caudal al destino o el que llega es insuficiente

- Existe una obstrucción en la conducción de aspiración o alguna válvula en la succión o en la descarga está cerrada.

- El extremo de la conducción de aspiración no esta sumergido. - Un filtro está obstruido. La instalación requiere al menos un filtro en la conducción de aspiración. - La válvula del by-pass esta abierta, y se recircula caudal. - Presencia de aire en la instalación. - Hay elementos internos de la bomba que están muy desgastados. - El motor no da suficiente potencia a la bomba. - Rotación del motor incorrecta. - La velocidad de la bomba es demasiado baja. - La viscosidad del fluido es muy alta. - Válvula abierta que desvía el caudal de la instalación o válvula de seguridad no está funcionando

correctamente.



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Ruido y vibración excesiva

- La bomba y motor están mal acoplados o mal alineados. - La tubería no esta correctamente soportada. - Los pernos que anclan la bomba se han aflojado. - La viscosidad del fluido es muy alta. - Válvula de alivio no funciona correctamente. - Rodamientos deteriorados o soportes del eje flojos. - Existe una obstrucción en la conducción de aspiración. - Presencia de aire en la instalación. - Un filtro está obstruido. - Hay elementos internos de la bomba que están muy desgastados.

La bomba pierde líquido por el sello

El fluido contiene partículas sólidas inesperadas.Presencia de aire en el líquido, es decir, presencia de aire en la instalación.Presión de descarga muy alta.Temperatura muy elevada.Vibración de la bomba, principalmente del eje.Selección incorrecta de los materiales del sellado.No se ha realizado un correcto mantenimiento del sellado.

Desgaste rápido de los elementos de la bomba

El líquido contiene componentes abrasivos.La bomba y motor están mal acoplados o mal alineados.El extremo de la conducción de aspiración no esta sumergido.


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Imagine que trabaja en la empresa “Bombas Energéticas, S. A.”, y a una bomba de despla-zamiento positivo mecánica se le ha realizado una revisión completa. Cuando se ha puesto en funcionamiento de nuevo en la misma instalación, esta ha empezado a hacer mucho ruido y a vibrar. Le llaman a usted, que conoce muy bien la bomba, para detectar cuál es el problema. Usted se acerca, empieza a revisarla y advierte que no hay ninguna obstrucción en el filtro, ni en la conducción de aspiración, y que tampoco había presencia de aire en las conducciones. Entonces se pone en contacto con quien hizo la revisión y le pregunta cómo la ha realizado. Este comenta que ha revisado el motor, la bomba, la bancada, los soportes de la instalación, y la válvula de alivio. Indique cuál debe ser el problema que tiene la bomba.

SOLUCIÓN

El problema está en que la bomba está mal acoplada o mal alineada. Se descartan las siguien-tes causas posibles:

Las conducciones no están correctamente soportadas: se descarta porque se acaban de revisar los soportes.

Los pernos que anclan la bomba se han aflojado: se descarta porque se acaban de revisar las bancadas.

La viscosidad del fluido es muy alta: se descarta porque es el mismo líquido que había antes de la revisión.

Rodamientos deteriorados o soportes del eje flojos: se descarta porque se acaba de revisar el interior de la bomba.

Elementos internos muy desgastados: se descarta porque se acaba de revisar el interior de la bomba.


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4. Compresores centrífugos y alternadores: principios y especificaciones. La relación de compresión

Existen muchos gases de muy diversa naturaleza, como gas puro, mezcla de gases, mezcla de gases y vapores, etc. que necesitan ser transportados a través de conducciones. El proceso para llevar a cabo esta operación es la compresión y el equipo a utilizar es el compresor.

En el proceso de compresión, el gas se comprime y se desplaza. Los pará-metros que caracterizan el proceso de compresión son el caudal transportado y la relación de compresión p2/p1, donde p2 es la presión de descarga o salida del compresor y p1 la de aspiración o entrada al compresor.

Los compresores también son denominados comercialmente con el nombre de soplantes cuando esa relación de compresión es menor que 1,5. Cuando trabajan con una presión de entrada por debajo de la atmosférica y una presión de salida igual a la atmosférica o ligeramente mayor se les denomina bombas de vacío.

Definición

CompresiónProceso en el que se aumenta la presión de un gas por una disminución de su volumen.

CompresorMáquina en la que se produce un proceso de compresión.

320 |


4.1. Tipos: descripción y detalles mecánicos

Los compresores se dividen, por razón de su sistema de compresión, en dos grande grupos: los volumétricos o de desplazamiento positivo, y los dinámicos o turbocompresores o compresores de flujo continuo.

Los compresores de flujo continuo, como su propio nombre indica, son equipos que producen un flujo continuo, al contrario que los de desplazamien-to positivo que producen un flujo fluctuante.

Los compresores de flujo continuo son aptos para trabajar con caudales muy elevados, mientras que los de desplazamiento positivo no. En cambio, respecto a la relación de compresión, los de desplazamiento positivo son aptos para proporcionar elevadas relaciones de compresión, mientras que los de flujo continuo son mucho más limitados. Además, los de flujo continuo son más pequeños y producen muchas menos vibraciones que los de desplazamiento positivo, y son muy utilizados en la industria química y del petróleo.

El compresor más representativo del tipo desplazamiento positivo es el compresor alternativo, y del tipo flujo continuo es el compresor centrífugo.

Nota

En los primeros la masa no está definida y en los segundos, la masa está delimitada por la geometría del compresor.


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Constitución y funcionamiento de un compresor alternativo. Dispositivos y métodos de regulación (caudal y presión) en un compresor alternativo

Los compresores alternativos más simples son los de una etapa. Estos cons-tan de un pistón con movimiento alternativo en el interior de un cilindro. Este movimiento lo genera un motor que transmite su potencia a través de un me-canismo biela-manivela.

El pistón se desplaza desde un extremo a otro comprimiendo el gas que se encuentra en el interior del cilindro. La válvula de admisión o entrada permite la entrada del gas sin comprimir antes de que se produzca la compresión, y la válvula de descarga deja salir el gas comprimido después de llevarse a cabo la compresión dentro del cilindro. Ambas válvulas se encuentran cerradas duran-te el proceso de compresión. Cuando se ha comprimido el gas y se abre la de descarga o salida, el pistón desplaza el gas para que salga por dicha válvula.

Por tanto, el compresor está formado por una manivela acoplada al cigüeñal, una biela unida directamente al pistón, y un pistón que se mueve en el interior del cilindro con movimiento alternativo. En la culata es donde se encuentran instaladas las válvulas de entrada y salida al compresor. También tienen un sistema de refrigeración que en caso de los compresores pequeños es mediante aire, y en el caso de los compresores medianos y grandes mediante agua. La re-frigeración se lleva a cabo por medio de una camisa por las paredes del cilindro.

Compresor tipo pistón

Entrada

Válvula de admisión

Válvula de escape

Salida

322 |


Normalmente, los compresores se fabrican para trabajar en unas condiciones concretas de operación, en función del proceso en el que van a ser instalados. Pero, en ocasiones, pueden producirse situaciones que provoquen cambios en las condiciones de operación del proceso, por ejemplo, puede ser necesaria más cantidad de gas comprimido o puede no ser necesaria ninguna cantidad. Por tanto deben ajustarse a la demanda del proceso. En esas situaciones se deben utilizar los dispositivos de regulación del compresor que son aquellos que pueden adaptar el funcionamiento del compresor a la demanda del caudal, manteniendo la presión del servicio constante y sin afectar al rendimiento de este. Por tanto, las presiones de aspiración y descarga no sufren ningún tipo de variación. Los sis-temas de regulación pueden ser manuales o automáticos. Los más usuales son:

Sabía que...

Este tipo de compresor se utiliza cuando es necesaria una presión elevada con bajo caudal. Se fabrican de un solo efecto o etapa, o de múltiples efectos o etapas. La compresión en varias etapas se utiliza para conseguir relaciones de compresión altas que no se puede conseguir con una sola etapa. Operan con presiones de descarga superiores a 3 atmósferas.

Elementos de un compresor alternativo de una etapa y esquema de funcionamiento

Válvula seguridad Descarga

Silenciador

Aspiración

V. Impulsión

Pistón

V. Admisión

Biela

Cilindro


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Por otro lado, para regular la presión en el compresor, se tienen una o varias válvulas de seguridad que limitan la presión máxima que será la presión de tarado de la válvula de seguridad, y las válvulas de regulación de presión que se encargan de regular la presión de salida del compresor, y que pueden estar montadas tanto en la entrada como en la salida de este.

Constitución y funcionamiento de un compresor centrífugo. Dispositivos y métodos de regulación (caudal y presión) en un compresor centrífugo

El compresor centrífugo realiza la compresión basándose en la fuerza cen-trífuga. Son muy parecidos a las bombas centrífugas, aunque los compresores tienen más velocidad y más rodetes.

Arranque y parada

El gas comprimido se almacena en un depósito de acumulación cuando sale del compresor. Cuando este está lleno, se para el compresor, y cuando llega a un límite mínimo del depósito, se enciende automáticamente. Es el más económico y es utilizado en pequeños compresores.

Marcha en vacío

El compresor está siempre encendido. Alterna periodos en que comprime con periodos en que la válvula de aspiración está abierta, y por tanto, el pistón empuja el gas hacia la conducción de aspiración, no produciéndose la compresión.

Regulación de la velocidad de giro

Se utiliza cuando el compresor está accionado por un motor eléctrico, de vapor o de combustión interna. Si es un motor eléctrico se puede regular la velocidad de giro con un equipo electrónico denominado variador de frecuencia y que se estudiará más adelante. Si se trata de un motor de vapor o de combustión interna se puede regular variando la alimentación de combustible.

Estrangulación de la admisión

Se utiliza una válvula de regulación que controla la entrada de caudal en la aspiración, según las necesidades del proceso.

Recirculación del caudal

Se recircula el gas comprimido desde la descarga hasta la admisión, y se hace pasar por una válvula de regulación para que se recircule más o menos caudal en función de la necesidad de la alimentación. Esta recirculación se puede producir desde diferentes etapas en los compresores con varios cilindros o con varias etapas.

Variación del volumen del compresor

Se varía el volumen de ocupación del gas a comprimir en la cámara de compresión en función de la necesidad.

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La parte del compresor que es giratoria, denominada rotor o impulsor, tiene un espacio hueco dividido en intervalos regulares por unos tabiques (álabes) que no llegan al centro y que son curvos, con su concavidad opuesta al sentido del giro. Estos van reduciendo su diámetro a medida que el gas camina hacia la salida final.

El gas aspirado entra en el rotor por el centro, y debido a la fuerza centrífuga sale con gran velocidad y más presión que con la que entró. A la salida pasa por un difusor cuya sección crece gradualmente perdiendo velocidad y ganando presión. Desde el difusor pasa a una cámara intermedia, y desde esta al rodete impulsor siguiente. En este nuevo rodete aumenta de nuevo la presión, y así sucesivamente pasará por varios rodetes hasta alcanzar la presión necesaria.

Consejo

Acoplando varios rodetes en serie, uno por cada etapa, se puede obtener la presión que se necesite sin que el número de revoluciones sea tan alto.

Elementos del compresor

Difusor

Rotor

Admisión

Eje

Descarga


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Por tanto, el compresor está formado por una o varias ruedas impulsoras que se encuentran montadas sobre un eje y que se ubican dentro de una car-casa. Estas ruedas son los rotores y tienen una serie de álabes que pueden ir dispuestos en varias formas.

Los compresores centrífugos, al igual que los alternativos, deben ajustarse a la demanda del proceso, y por tanto, se deben utilizar los dispositivos de regulación del compresor.

Los sistemas de regulación pueden ser manuales o automáticos. Los más usuales son: el arranque y parada, regulación de la velocidad de giro, estrangu-lación en la admisión y recirculación del caudal. El método y los dispositivos son iguales que en los compresores alternativos.

Por otro lado, para regular la presión en el compresor, también se tienen una o varias válvulas de seguridad que limitan su presión máxima y las válvulas de regulación en la entrada o en la salida del compresor.

4.2. Operación y mantenimiento del compresor

Las operaciones y mantenimientos del compresor se deben llevar a cabo tal y como indique el manual del fabricante. Debido a que cada manual es diferente en función del modelo y marca de compresor se indican a continua-

Compresor centrífugo de varias etapas

Entrada Salida

326 |


ción una serie de actuaciones generales para llevar a cabo esta operación y mantenimiento.

Las operaciones corresponden a la puesta en marcha y parada del compre-sor, junto con los controles a realizar sobre este y las operaciones de manteni-miento y mantenimiento básico.

Con ese registro se pueden observar cambios en las condiciones de ope-ración e indicar un mal funcionamiento del sistema. Una corrección rápida evitará problemas serios a posteriori.

El mantenimiento de los compresores requiere un mantenimiento básico y un mantenimiento que se debe hacer en periodos más largos, y con mayor envergadura. Para este último se debe poner fuera de servicio el compresor, después desconectarlo de la red eléctrica y por último dejarlo completamente sin presión. Además, al tratarse de un equipo a presión, debe tener una se-rie de inspecciones reglamentarias periódicas indicadas por el reglamento de equipos a presión en función de su capacidad.

Las actuaciones de mantenimiento son las siguientes:

Importante

Es indispensable el registro diario del funcionamiento del compresor para un mantenimiento eficiente. Se deben registrar las condiciones de operación del compresor, sobre todo, los datos obtenidos durante el control del mismo, incluyendo fecha y hora.


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Estas operaciones de mantenimiento deben ser supervisadas por el respon-sable de mantenimiento del área donde se encuentre situado el compresor, que deberá archivar la documentación que este proceso genere.

4.3. Principios de funcionamiento

El funcionamiento del compresor está supeditado a los procedimientos de puesta en marcha y parada, al mantenimiento, a los controles durante su utili-zación, y en general al buen uso del mismo.

Procedimientos de puesta en marcha y parada

La puesta en macha y la parada de un compresor se debe llevar a cabo según las instrucciones suministradas por el fabricante, pero en términos generales, para un compresor alternativo se puede llevar a cabo de la siguiente manera:

Mantenimiento del compresor

- Limpiar el interior del compresor de aceites y suciedades. - Cambiar el filtro de la conducción de aspiración. - Cambiar el aceite. - Limpiar la válvula antirretorno del depósito de almacenamiento. - Revisar las válvulas de seguridad. - Comprobar el buen estado y funcionamiento de los manómetros. - Controlar las válvulas de entrada y salida al cilindro. - Se comprobará el funcionamiento de los sistemas auxiliares del compresor.

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Utilidad e importancia de los “manuales de operación y mantenimiento” del fabricante

Los manuales de operación y mantenimiento son imprescindibles para la seguridad de los trabajadores y para el buen estado de conservación. Por tanto es necesario seguir sus indicaciones e instrucciones para una mayor duración del tiempo de vida de los compresores, para reducir sus fallos y para disminuir las paradas del proceso.

En ellos aparecen cuáles son las medidas a tomar para prevenir riesgos so-bre los trabajadores, cómo se debe poner en marcha y parar un compresor para evitar que el usuario manipule el equipo sin conocimiento o a su antojo, dete-

Puesta en marcha de un compresor alternativo

1. Comprobar que todas las líneas, válvulas, juntas, etc. están en condiciones de funcionamiento.2. Comprobar los sistemas de lubricación y que el nivel de aceite es el correcto.3. Comprobar el sistema de refrigeración de agua del cilindro y ponerlo en funcionamiento.4. Girar el volante de inercia manual y lentamente, que es un sistema de equilibrado que normalmente

tienen los compresores, para dar algunos pistonazos (movimientos de pistón) y de esa manera sacar fuera del cilindro el líquido que pudiese haber. Además con esos pistonazos se reparte mejor el aceite de lubricación en su destino.

5. Arrancar el compresor sin carga y, por tanto, la válvula de succión cerrada, con las válvulas de entrada y salida al cilindro cerradas y con el by-pass abierto. Abrir la válvula de salida y cerrar el by-pass. Abrir lentamente la válvula de aspiración, así se podrá evaporar todo el líquido existente.

6. Poner en carga el compresor al 25%, luego al 50% y, finalmente, al 100%.

Parada de un compresor alternativo

1. Descargar el compresor y mantenerlo en descarga algo de tiempo para así poder enfriar el pistón y que el aceite actúe sobre las superficies metálicas. Para ello se cierra la válvula de succión.

2. Cerrar la válvula de entrada al cilindro, abrir la válvula del by-pass y después cerrar la válvula de salida del cilindro.

3. Parar el motor que hace que se mueva el compresor.4. Cerrar el sistema de refrigeración de agua.5. Proteger el eje del pistón con una capa de aceite anticorrosivo si va a estar el compresor parado unos

días.6. Quitar el aceite del cárter y poner nuevo aceite antes de la siguiente puesta en funcionamiento.


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riorando algún componente, averiándolo o destrozando la instalación, y por úl-timo, se indica cómo debe hacerse el mantenimiento preventivo y el correctivo.

El mantenimiento preventivo tiene como finalidad reducir las averías del compresor, tener un mayor cuidado del mismo, y aumentar su vida útil, por lo que se reducen sus fallos y las paradas en los procesos. El mantenimiento correctivo se lleva a cabo cuando se produce un problema o una avería, y la actuación es sustituir un elemento o componente del compresor que se haya estropeado. Por tanto, suministra la información de cómo actuar en caso de avería y cuál fue su causa, lo que sirve también para proporcionar un buen estado de conservación del compresor. En el manual también se indican los repuestos que se debe tener para realizar una reparación.

Control durante la operación. Anomalías en operación. Averías más usuales y causas posibles

Durante el funcionamiento del compresor se deben realizar las siguientes inspecciones para el control del compresor:

Nota

De esta manera, el usuario del compresor evita tener que definir un programa de manteni-miento para los compresores, ya que en el manual se indica cómo se debe realizar.

Control durante la operación

- Temperatura y caudal del sistema de refrigeración de agua, si existe. - Presión, temperatura, nivel y color del aceite de lubricación. - Fugas de aceite en la junta del eje. - Funcionamiento de los controles. - Temperaturas y presiones en líneas de succión y descarga. - Ruidos y vibraciones extrañas.

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Si durante el funcionamiento se detecta en alguna de las inspecciones realiza-das algún parámetro incorrecto o anomalía en el compresor, se debe parar el com-presor lo antes posible. Las anomalías durante la operación son las siguientes:

Las averías más usuales en un compresor alternativo junto con sus causas son las siguientes:

Anomalías durante la operación

- Temperatura de agua de refrigeración demasiado alta, si existe. - Bajo nivel de aceite en el cárter o consumo demasiado alto de aceite. - Presión de aceite de lubricación demasiado baja. - Temperatura de aceite de lubricación demasiado alta. - Fuga de aceite en la junta del eje. - Presión de aspiración o succión demasiado alta. - Presión en la línea de succión demasiado baja. - Presión en la línea de descarga demasiado alta. - Temperatura en la línea de descarga demasiado alta. - Ruidos y vibraciones extrañas. - Aunque el compresor funciona, no lo hacen los cilindros.

AVERíAS CAUSA

Compresor no arrancaFalta de agua.Falta de aceite.

Parada del compresorFalta de agua.Falta de aceite.Fallo eléctrico.

Calentamiento del compresorLubricación no suficiente.Presión demasiado alta en la línea de descarga.Las válvulas están en malas condiciones.

Entre las diferentes etapas se dispara la válvula de seguridad constantemente

Válvula de seguridad no tarada adecuadamente.Válvula de seguridad estropeada.Válvula de regulación de presión a la entrada de la primera etapa estropeada.



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Sabía que...

Un presostato es un manómetro que tiene un regulador y que se encuentra calibrado para una determinada presión. La función del presostato es mantener un determinado rango de presión en un depósito, y para ello, conecta y desconecta el compresor.

AVERíAS CAUSA

Consumo excesivo de aceiteEmpaquetadura floja o deteriorada.Bajo nivel de aceite.

Aceite presente en el filtro de aspiración Hay demasiado engrase.

La presión de aceite no sube

Manómetro averiado.Bomba averiada o giro inverso.Tubería deteriorada.Falta de aceite.

Suministro de aire no adecuadoFiltro de aire sucio.Obstrucción en tubería de admisión de aire.

Bajo caudal del compresor

Filtro de aspiración de gas sucio.Válvula de entrada o de salida al compresor en malas condiciones.Válvula de regulación de presión de salida abierta.

Aire caliente a la salida del refrigeradorFalta de agua.Suciedad o impurezas en el sistema de refrigeración.

Presión entre etapas bajaVálvula de entrada a la primera etapa está mal.Válvula de salida de primera etapa está mal.Válvula de regulación de presión de salida abierta.

La presión de salida del compresor sube

Presostato averiado.Tubería rota del presostato.Válvula de regulación de presión de salida cerrada.Tubería de válvula de regulación de presión rota.

Presión de salida del compresor baja Presostato averiado o mal tarado.


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Equipo auxiliar: bomba de lubricación, bancada, sistema de refrigeración, elementos de seguridad (válvulas de alivio, alarmas, etc.)

A continuación se describen los equipos auxiliares de los compresores.

Bomba de lubricación

Habitualmente el engrase del compresor se lleva a cabo mediante dos sistemas diferentes, uno para los cojinetes y otro para los cilindros.

Los cojinetes se lubrican mediante una bomba de engranaje. El aceite es aspirado a través de un filtro e impulsado a través de orificios taladrados en el eje cigüeñal y en las bielas. Los cojinetes principales son de rodillos, los cuales son engrasados por salpicadura por las piezas rotatorias del cárter.

El engrase de los cilindros y el empaquetamiento es impulsado por dos bombas pequeñas incorporadas a un lubricador a través de tubos en los cilindros.

Bancada

El compresor normalmente se distribuye de fábrica montado en una bancada o soporte metálico calculado para resistir su peso. Esta bancada descansará sobre una cimentación consistente en hierro y hormigón (pla-cas de solera o planchas de cimiento), calculada para soportar el peso del compresor y la bancada metálica. La unión entre la bancada y la ci-mentación se hará mediante pernos de anclaje. Es muy importante que la bancada quede bien nivelada.

Sistema de refrigeración

Los sistemas más empleados normalmente para la refrigeración de compresores son:


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Suponiendo un sistema de refrigeración de agua en circuito cerrado, esta entra en el compresor a través de un tubo que se bifurca en dos, uno para el refrigerador intermedio y otro para los cilindros.

El refrigerador intermedio está formado por un número de elementos de refrigeración por los que fluye el agua. El aire comprimido se enfría al pasar por estos tubos en su camino desde el cilindro de baja al de alta presión.

El agua destinada a los cilindros llega primero a las cámaras de refrige-ración del cilindro de baja presión y por la culata de este, y luego a las del cilindro de alta presión. Cuando sale de allí se une con el conducto que procede del refrigerador intermedio en un embudo al que hay unido un tubo de salida para la mezcla de ambos, siendo esta la salida del sistema de refrigeración.

En el tubo que va hasta el cilindro de baja presión hay una válvula que regula el caudal de agua que circula hacia los cilindros, para así lograr una refrigeración óptima. Esta válvula se puede regular manualmente o automáticamente.

Elementos de seguridad

Los elementos de seguridad de un compresor, que es un equipo a pre-sión, están constituidos por las válvulas de seguridad, como en cualquier otro equipo a presión, y las alarmas.

Agua en circuito abiertoSe emplea solo en aquellos sitios donde la abundancia de agua es excepcional.

Agua en circuito cerradoLa refrigeración del agua caliente se produce a través de un radiador incorporado. El sistema tiene instalada una bomba de impulsión para el líquido refrigerante. Es el sistema más utilizado.

Refrigeración por aireSe utiliza en aquellas instalaciones donde hay escasez de agua o donde el agua genera incrustaciones en el radiador o en el circuito de refrigeración.

Refrigeración por aceite Se utiliza cada vez más en los compresores rotativos.

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Las válvulas de seguridad, que son del tipo válvulas de alivio de pre-sión, deben estar en la línea de descarga de cualquier compresor para de-jar escapar el gas cuando la presión exceda del valor tarado en la válvula. Pueden tener una o más válvulas de seguridad y su capacidad de descarga y presión de tarado estará calculada para el flujo de gas a presión máxima que el compresor sea capaz de generar. En los compresores multietapas, cada etapa tendrá al menos una válvula de seguridad.

Se debe poner fuera de servicio el compresor y al mismo tiempo dispa-rarse una alarma cuando se produzca alguna de las siguientes situaciones: baja presión de succión, alta presión de gas a la descarga, presión de acei-te de lubricación baja, bajo nivel de aceite y alta temperatura del aceite. Esta alarma debe estar en el tablero de control del compresor y debe ser luminosa y sonora.

Importante

Si se monta entre el depósito de acumulación del gas comprimido y el compresor una válvula de corte, entre esta y el compresor se debe colocar otra válvula de seguridad.

Válvulas de seguridad en compresor

Compresor

Válvula seguridad

Válvula seguridad

Acumulador

Válvula interrupción


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Mantenimiento básico

Las operaciones de mantenimiento habitual y básico realizadas por el ope-rario de mantenimiento del compresor deberán ser las siguientes:


Imagine que trabaja en la empresa “Compresores de Presión, S. A.”, y un compresor al-ternativo mecánico tipo pistón con sistema de refrigeración por agua se ha parado. Rá-pidamente, le llaman a usted, que conoce muy bien el compresor para detectar cuál es el problema. Usted se acerca y empieza a revisarlo y advierte que el nivel de aceite es el correcto y que el sistema de refrigeración por agua funciona adecuadamente. Indique cuál debe ser el problema que tiene el compresor.

SOLUCIÓN

Se trata de un problema eléctrico en el compresor debido a que las otras dos posibilidades por paro del compresor, que son falta de aceite y falta de agua (en este caso) por refrigeración, no eran las causas.

Mantenimiento básico periódico del compresor

- Controlar el nivel de aceite, y añadir aceite si es necesario. - Apretar todas las uniones atornilladas. - Revisar el filtro de aire y, en su caso, limpiarlo. - Eliminar de las ranuras de ventilación el polvo acumulado, restos de pinturas, aceite u otras

suciedades que impidan la circulación del aire. - Purgar el condensado acumulado en el fondo del depósito de acumulación. - Comprobar el filtro de aspiración.

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5. Turbinas de vapor y gas. Su utilización en la planta química

Una turbina de vapor es una máquina de fluido cuya función es la trans-formación de la energía que tiene un flujo de vapor de agua con alta presión y temperatura en energía mecánica. Esto se lleva a cabo mediante el movimiento giratorio de un eje que está conectado al equipo al que se quiera transmitir la energía o a un generador para producir electricidad.

Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía que tiene un combustible se puede producir tam-bién energía mecánica mediante el movimiento giratorio de un eje que está conectado al equipo al que se quiere transmitir la energía o a un generador para producir electricidad.

Nota

El hecho de que se utilice vapor de agua es porque tiene una elevada energía disponible por unidad de masa.

Movimiento de un eje en un molino de agua para entender el concepto de turbina de vapor

Movimiento giratorio

Radio

Pala

Soporte

Rueda de paletas

Movimiento lineal

Eje


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En las industrias de procesos químicos las turbinas de vapor y gas tienen muy diversa utilización. Se pueden usar como motores primarios para la pro-pulsión o movimiento de equipos como bombas, sopladores ventiladores, o compresores. También se emplean en muchas ocasiones como generadores eléctricos para suministro de energía eléctrica o para el servicio eléctrico de emergencia. Además, parte del vapor de las turbinas puede ser usado para necesidades de vapor en los procesos químicos.

5.1. Principios de funcionamiento. Descripción de las partes principales

En una turbina de vapor se produce una expansión o reducción de la presión del vapor de agua al entrar por las toberas (válvulas de expansión), aumentando así muchísimo la velocidad del vapor. Este a alta velocidad mueve los álabes o palas móviles de la turbina que giran moviendo su eje y generando una energía mecánica rotatoria. Normalmente, una turbina de vapor tiene varios conjuntos tobera-álabe (a esto es a lo que se le denomina etapa) para así poder subir la velocidad del vapor de agua de forma gradual. De esta manera no se necesitan velocidades de rotación del eje excesivas.

Nota

En la turbinas de vapor de condensación se puede obtener agua de refrigeración de su condensación para abastecer distintas necesidades de proceso.

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En una turbina de gas el aire es aspirado de la atmósfera y comprimido en un compresor para enviarlo a la cámara de combustión. El combustible, que está en forma gaseosa, de niebla o líquida, también se inyecta en la cámara, donde se produce la combustión con el aire en exceso. Los gases calientes ob-tenidos de la combustión entran en las toberas o válvulas de expansión que son lanzados contra los álabes o paletas de la turbina. La alta velocidad de estos chorros de gas hace girar los álabes y, por tanto, el eje de la turbina, generando energía mecánica y/o aprovechándola para generar electricidad. Esta energía también se suele aprovechar para impulsar el compresor. Las turbinas de gas utilizan muchos tipos de combustibles líquidos o gaseosos como, por ejemplo, el gas natural.

Turbina de gas simple

Combustible

Compresor Cámara de combustión

Turbina

Turbina de vapor


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Descripción de las partes principales de turbinas de vapor y de gas

Las turbinas de vapor se componen de tres elementos principales:

■ Rotor: es el elemento móvil del sistema, y está compuesto por una serie de rodetes o coronas de álabes. Los álabes se encuentran unidos al eje de la turbina y se mueven con él. Es el elemento que aprovecha la ener-gía cinética y la transforma en energía mecánica rotatoria. Nota: puesto que para tener mayor rendimiento la turbina tiene varias etapas, el rotor tendrá varios rodetes o coronas con sus álabes, uno por etapa.

■ Estator: es la carcasa de la turbina. Tiene una serie de coronas de álabes fijos para redireccionar el vapor dentro de la turbina. Se divide en dos partes, una inferior unida a la bancada y otra superior que se puede des-montar para acceder al interior de la turbina y concretamente al rotor.

■ Toberas o válvulas de expansión: es el elemento a través del que es alimentada la turbina, y donde se produce la reducción de presión y

Rotor de turbina de vapor con varios rodetes

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aumento de velocidad del vapor. También proporciona una adecuada distribución del vapor.

Las turbinas de gas se componen de cuatro elementos principales:

■ Compresor, cuya función consiste en comprimir el aire que se utilizará para la combustión.

■ Cámara de combustión, donde se produce la combustión del combusti-ble con el aire. Soporta muy alta temperatura.

■ Turbina de expansión, donde la velocidad de salida de los gases de combustión es aprovechada para transformar su energía cinética o la velocidad del gas en energía mecánica rotacional tal y como ocurre en las turbinas de vapor. Normalmente esto no se hace en una sola etapa sino en varias. Cada una de estas etapas tiene una corona de álabes que mueven el rotor al que están unidos. Nota: en cada etapa también hay un conjunto de álabes fijos unidos a la carcasa de la turbina de gas para redireccionar el gas de salida de la cámara de combustión o de la salida de cada etapa anterior en la direc-ción adecuada hacia la siguiente.

Partes de una turbina de vapor

Rotor

Acoplamiento

Salida de vapor

Estator

Entrada de vapor


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■ Carcasa, cuya función es la protección y el aislamiento de la parte inte-rior de la turbina.

5.2. Procedimientos de puesta en marcha, operación y parada

La puesta en marcha de una turbina de vapor se puede hacer de dos formas en función del equipo. Si se trata de un equipo de pequeña o mediana potencia se lleva a cabo automáticamente, y por tanto, no hay que realizar ninguna ope-ración, solo el arranque, pero si se trata de un equipo mayor se deben realizar una serie de operaciones de puesta en marcha.

Para llevar a cabo la puesta en marcha de una turbina que no funciona automáticamente se debe tener en cuenta, primero, si el sistema al que está conectado, alternador (equipo necesario para la generación de electricidad), compresor, etc. está preparado. En caso afirmativo, los pasos a seguir para operar la puesta en marcha serán:

Turbina de gas

Eje

Compresor

Cámara de combustión

Turbina

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La puesta en marcha de una turbina de gas para generar electricidad se lleva a cabo de la siguiente manera:

Puesta en marcha de una turbina de vapor

1. Conectar el servicio de aporte de agua al sistema de refrigeración de aceite. 2. Comprobar el nivel de aceite.3. Verificar que la válvula de entrada de vapor a la turbina está cerrada.4. Abrir las válvulas de purga y purgar el condensado de las líneas de entrada y salida de vapor, tanto

en las conducciones exteriores al bloqueo de entrada y salida a la turbina, como en las conducciones interiores al bloqueo de entrada y salida. También se debe purgar el cuerpo de la turbina.

5. Poner en funcionamiento el sistema de lubricación a través de la bomba auxiliar de aceite. 6. Cerrar todas las válvulas de purga de condensado cuando empiece a salir por las purgas vapor que no

tenga gotas de agua.7. Abrir las válvulas para que pueda entrar y salir vapor a la turbina.8. Hacer funcionar la turbina siguiendo la curva recomendada de subida de revoluciones proporcionada

por el fabricante.9. Cuando se alcanza el estado de funcionamiento normal se pone en funcionamiento la bomba principal

de aceite, dejando de estar en servicio la bomba auxiliar.

Puesta en marcha de una turbina de gas

1. Poner en funcionamiento el sistema de lubricación con la bomba auxiliar de aceite, y poner en marcha el sistema de refrigeración.

2. Cuando se ha alcanzado la presión necesaria de aceite se activa el motor de arranque.3. Cuando la temperatura del motor de arranque es estable se pone en marcha el acoplamiento

mecánico entre compresor - turbina - generador eléctrico.4. Se activa el motor secundario o auxiliar para hacer girar la turbina a pocas revoluciones por minuto. 5. Acelerar el motor de arranque.6. Cuando las r.p.m. sean la mitad del número normal de funcionamiento se debe hacer funcionar la

inyección del combustible a la cámara de combustión y paralelamente hacer funcionar las bujías de encendido, produciéndose la combustión del combustible.

7. Acelerar la turbina hasta obtener el número de vueltas normal.8. En el momento en que el número de vueltas de la turbina sea mayor que el del motor de arranque, este

último se desacopla automáticamente.9. Poner en funcionamiento la bomba principal de aceite, dejando de estar en servicio la bomba auxiliar,

cuando se alcanza el estado de funcionamiento normal.


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La secuencia para detener una turbina de vapor es:

La secuencia para detener una turbina de gas que acciona un generador eléctrico es la siguiente:

Control y vigilancia durante la operación de marcha normal. Problemas más frecuentes

En las turbinas de vapor, para evitar problemas de mal funcionamiento o que puedan hacer que el equipo sufra una avería, se llevará a cabo el siguiente proceso de control y vigilancia:

Detención de una turbina de vapor

1. Bajar las r.p.m. al mínimo técnico, es decir, a la potencia mínima de funcionamiento.2. Arrancar la bomba auxiliar de aceite.3. Descargar el vapor de la turbina, enviando este al condensador directamente y cerrando las válvulas

de entrada y salida de la turbina.4. Dejar que se desacelere sola hasta que funcione a pocas r.p.m.5. Puesta en marcha del virador, que es un motor secundario o auxiliar, que cuando está parada de

turbina la hace girar lentamente y de esa manera evita que el rotor pueda curvarse por su peso o por expansión térmica.

6. Detener el motor secundario o auxiliar cuando la temperatura en el interior y en el ambiente (exterior) de la turbina sea aproximadamente la misma.

7. Detener la bomba auxiliar de aceite y el sistema de refrigeración.

Detención de una turbina de gas

1. Arrancar la bomba auxiliar de aceite.2. Cortar el suministro de combustible de forma que se comience a desacelerar el grupo solo.3. Cuando el número de r. p. m. haya bajado a unas pocas se debe hacer funcionar el motor secundario

o auxiliar.4. Detener el motor secundario o auxiliar cuando la temperatura en el interior y en el ambiente (exterior)

de la turbina sea aproximadamente la misma.5. Detener la bomba auxiliar de aceite.

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Los problemas más frecuentes en las turbinas de vapor son:

En las turbinas de gas se llevará a cabo el siguiente proceso de control y vigilancia:

Control y vigilancia

- Comprobar las alarmas y avisos. - Vigilancia de parámetros, al menos los siguientes: niveles de vibración, revoluciones, temperaturas de

entrada y salida del vapor, presión, temperatura y caudal de aceite de lubricación, comprobación de nivel de aceite.

- Inspección visual del funcionamiento de la turbina. - Comprobar si hay fugas de aceite. - Comprobar el nivel de aceite. - Comprobar si hay fugas de vapor. - Comprobar si hay fugas de líquido de refrigeración. - Comprobar si hay vibraciones o ruidos extraños. - Comprobar que la bancada está correctamente. - Comprobar visualmente el sistema de eliminación de vahos. - Tomar muestra de aceite para analizarlo.

Problemas más frecuentes en las turbinas de vapor

- Fuga de vapor. - Gripaje del rotor. - Desplazamiento del rotor de su ubicación. - Parada del rotor porque se haya curvado el eje. - Excesivas vibraciones. - Fallos en los equipos de instrumentación.


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Los problemas más frecuentes en las turbinas de gas son:

5.3. Sistemas auxiliares

A continuación se van a detallar los sistemas auxiliares de una turbina de gas.

Control y vigilancia en las turbinas de gas

- Comprobar las alarmas y avisos. - Vigilancia de parámetros, al menos los siguientes: temperatura en cámara de combustión, presión y

temperatura del compresor, niveles de vibración, temperatura en cojinetes, presión y temperatura del aceite de lubricación, caudal y temperatura del aire de refrigeración y temperatura en la salida del gas, r.p.m. y potencia de la turbina.

- Comprobar si hay desplazamiento del rotor. - Ruidos y vibraciones extraños. - Comprobar las fugas de gas. - Comprobar las fugas de líquido de refrigeración. - Comprobar las fugas de aceite. - Comprobar si hay olores anormales. - Comprobación del buen funcionamiento del sistema contraincendios. - Tomar muestra de aceite para analizarlo.

Problemas más frecuentes en las turbinas de gas

- Desalineación, desequilibrio o curvatura del eje del rotor. - Obstrucción en los filtros de aire. - Fisuras, fugas, y tornillos sin poder salir de sus agujeros en la carcasa. - Deterioro de los álabes del compresor y turbina. - Desplazamiento excesivo y desgaste de los cojinetes. - Pérdida de material de recubrimiento y problemas en sistema de refrigeración de la cámara de

combustión. - Deterioro de los equipos de control e instrumentación, sobre todo en los sensores y en el controlador.

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Sistemas de control y reguladores

Existen diversos mecanismos para regular la capacidad de las turbinas de gas, estos son:

■ Estrangular la entrada de aire en el compresor. (Sin embargo no se reco-mienda ya que produce muchas pérdidas).

■ Expulsar el aire del compresor entre dos etapas, sin llegar a pasar por todas ellas.

■ Variar la velocidad de giro del compresor, y por tanto, el compresor fun-cionará a distinta capacidad de compresión.

■ Control de la temperatura a la entrada de la turbina de expansión, lo que se hace modificando la cantidad de combustible que entra en la cámara de combustión.

■ Modificar la orientación de los álabes fijos o móviles, para así modificar la velocidad del gas y, por tanto, la de giro del rotor.

Sistema de combustible

El sistema de gas combustible es el sistema que transporta e incorpora el combustible hasta la cámara de combustión. Estará formado por un filtro para las impurezas, válvulas de corte, una válvula para regular la presión del combustible, una válvula de control del caudal, una válvula de seguridad, el depósito de almacenamiento de combustible y las conducciones del sistema junto con sus accesorios.

Importante

Además debe tener la instrumentación necesaria como alarma y paro por baja o por muy alta presión.


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Sistema de lubricación

Se trata de un sistema de lubricación forzado a presión para el suministro de aceite de lubricación a la turbina de gas, cuya misión es tanto refrigerar como mantener una película de aceite entre los mecanismos en contacto, y a la caja de engranajes.

El sistema está constituido por un recipiente principal de aceite, localizado normalmente en la base de la turbina de gas, con un filtro para las impurezas, extractor de vahos, sensor de nivel, presostato, y un drenaje para la limpieza del depósito. Además tiene un sistema para el calentamiento y el enfriamiento del aceite, como por ejemplo, un refrigerador y un termostato. También tiene una bomba principal, una bomba auxiliar y otra de emergencias. Y, por último, un tanque de gran capacidad para el aceite agotado, y la instrumentación ne-cesaria para el control del sistema.

Sistema de encendido

El sistema de encendido consta de bujías de alta tensión, similares a las que se utilizan en los motores de los coches y de inyectores de encendido, que hacen que se inyecte combustible en el momento en que se activan las bujías. El sistema de encendido funciona en el periodo de aceleración del sistema auxiliar o de arranque, cuando las r.p.m. sean la mitad del número normal de funcionamiento. En ese momento se activan los inyectores de encendido en la cámara de combustión y paralelamente las bujías de encendido, de esa manera se produce la combustión del combustible. Cuando finaliza la puesta en mar-cha de la turbina, el dispositivo de encendido se desconecta.

En algunos sistemas el inyector de encendido puede ser alimentado con combustibles ligeros de otro tanque en el caso de que el combustible utilizado por la turbina sea pesado.

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Sistema de arranque

El sistema de arranque o sistema auxiliar tiene como función llevar la tur-bina de gas hasta que esta sea autosuficiente, es decir, que se aporte el su-ficiente aire para que cuando se encienda la turbina se pueda mantener la combustión del combustible. Cuando se alcance esa condición, y se purgue o envíe a venteo el gas de arranque, se desacoplara y parará. El sistema de arranque está formado normalmente de un motor eléctrico auxiliar o de una pequeña turbina de gas auxiliar.

El sistema de arranque con motor eléctrico está compuesto por un motor eléctrico, un reductor o un variador de frecuencia (que es un variador de velo-cidad), elementos de control del sistema, cableado y conexiones.

La turbina auxiliar de gas se encuentra unida al eje principal mediante un reductor, y se alimenta en ocasiones con aire comprimido.

Recuerde

El sistema de encendido consta de bujías de alta tensión e inyectores de encendido.

Turbina de gas con turbina auxiliar (turbina de potencia)

Compresor

Turbina

Turbina de potencia

Cámara de combustión


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Sistema de venteo

El venteo es una válvula que se abre cuando, por ejemplo, se quieren des-comprimir los tramos de conducciones de alta presión para realizar labores de mantenimiento cuando se para la turbina, estando el otro lado de la válvula a presión normalmente atmosférica. También se utiliza el venteo en la turbina mediante otra válvula que se abre en la zona superior de esta para recoger los gases que no son utilizados en los arranques y paradas del sistema.

Es considerado venteo el sistema destinado a evacuar el gas en caso de mal funcionamiento, paradas no programadas, emergencias de la turbina de gas, y/o presiones superiores a las de diseño mediante el funcionamiento de las válvulas de seguridad que deben estar conectadas a este sistema. Automáti-camente se pone a funcionar realizando un venteo total o parcial de los gases de combustión.

El gas proveniente del venteo se recoge en conducciones y se almacena en instalaciones adecuadas para su posterior reutilización en las turbinas y/o en las calderas de precalentamiento de gas.

Este gas será reutilizado salvo en circunstancias en las que al producirse el venteo se puedan ver comprometidos los requisitos mínimos de seguridad de la planta. En ese caso se utilizará la chimenea de venteo para la evacuación de dichos gases.

Nota

Para ello debe existir un sistema de recogida, trasiego y almacenamiento en un depósito de dimensiones adecuadas de todo el gas evacuado.

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5.4. Mantenimiento básico. Supervisión de las operaciones de mantenimiento específico

El mantenimiento básico preventivo de operación en las turbinas de vapor se refiere a la atención diaria y al mantenimiento de rutina. Si se detecta al-guna deficiencia o necesidad de actuación en el control y vigilancia durante la operación de marcha normal, también se llevará a cabo. El mantenimiento preventivo básico es el siguiente:

Para las turbinas de vapor se deben supervisar las operaciones de revisio-nes importantes o grandes revisiones que suponen la apertura de la turbina y la sustitución de piezas desgastadas, a parte de la sustitución de elementos deteriorados:

Mantenimiento básico

- Limpieza de la turbina por restos de aceite. - Purgar el agua de refrigeración del aceite de lubricación. - Cambiar el aceite de lubricación. - Cambiar los filtros de aceite. - Apretar tornillos. - Limpiar el cuadro de control. - Calibrar la instrumentación (presiones, temperaturas y caudales, fundamentalmente).

Grandes revisiones

- Equilibrar el rotor. - Sustituir los álabes, tanto fijos como móviles. - Revisar y reacondicionar, cuando sea necesario, los cojinetes de apoyo. - Revisar el sistema de lubricación completo: cambiar aceite, revisar bombas, cambiar filtros, limpiar el

tanque. - Revisar el sistema de refrigeración completo. - Revisar toda la instrumentación.


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El mantenimiento básico preventivo rutinario de operación en las turbinas de gas es el siguiente:

Para las turbinas de gas se deben supervisar las operaciones de revisiones im-portantes o grandes revisiones que suponen la apertura de la turbina y la sustitu-ción de piezas desgastadas, a parte de la sustitución de elementos deteriorados:

5.5. Turbinas monoetápicas y multietápicas

Las turbinas monoetapa se utilizan para turbinas de pequeñas potencias, en-tre 1,5 y 2 MW. Están constituidas por un solo rodete y, por tanto, una sola eta-pa donde se convierte la energía cinética en mecánica. Tienen menor coste de instalación y mantenimiento, y son más seguras y robustas que las multietapa.

Mantenimiento rutinario

- Cambiar aceite y filtro. - Cambiar filtros del aire de admisión al compresor. - Limpieza del compresor. - Calibración de la instrumentación. - Alineamiento de la turbina. - Apretar tornillos. - Limpiar el cuadro de control.

Grandes revisiones

- Equilibrar el rotor. - Sustituir los álabes, tanto fijos como móviles, de la turbina de expansión. - Sustituir la cámara de combustión entera, inclusive los quemadores. - Limpiar los álabes del compresor. - Revisar y reacondicionar, cuando sea necesario, los cojinetes de apoyo. - Revisar el sistema de lubricación completo: cambiar aceite,

revisar bombas, cambiar filtros, limpiar el tanque. - Revisar el sistema de refrigeración completo. - Revisar toda la instrumentación.

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Las turbinas multietapa se utilizan para potencias mayores a 2 MW. Tienen varios rodetes, uno por etapa. Las toberas también se encuentran a la entrada de cada etapa. Presentan como ventaja la posibilidad de realizar extracciones o tomas de vapor a presiones intermedias entre la entrada y la salida. El objetivo de las turbinas multietapas es que los rodetes no tengan una velocidad tan alta y por tanto, que la velocidad del eje no sea excesiva.

Álabes estacionarios

Como ya se sabe, un álabe es una paleta. Los álabes fijos o estacionarios son álabes que no se mueven con el rotor. Están montados en el estator o la carcasa de la turbina y sirven para darle una dirección adecuada al vapor para enviarlos hacia los álabes móviles.

Turbina de reacción

Estas turbinas se caracterizan porque sus álabes fijos están situados de tal manera que cada dos de ellas realizan la función de boquilla de entrada por la que se introduce el vapor mientras se expande.

La expansión se lleva a cabo en los álabes fijos o toberas y en los móviles, mientras que en las de acción, que es el tipo de turbina normal, solo se pro-duce en las toberas.

Parte de una turbina de vapor multietapa


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Normalmente utilizan más etapas las turbinas de reacción que las de ac-ción para conseguir el mismo rendimiento.

Turbinas de condensación y sin condensación

Las turbinas de condensación son utilizadas en procesos donde son nece-sarias turbinas con grandes potencias y, por tanto, se quiere tener un aprove-chamiento energético máximo de la turbina. Este mayor aprovechamiento se obtiene haciendo pasar el vapor de agua de salida de la turbina por un conden-sador para obtener agua de refrigeración. Este agua de refrigeración puede ser utilizado en otros procesos.

Sabía que...

Los álabes se montan normalmente en un tambor en vez de en una rueda, que es lo habitual en otros tipos de turbinas.

Turbina de vapor de condensación

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Las turbinas sin condensación son las más utilizadas en aquellos sitios donde se necesita alta cantidad de vapor, sobre todo, a baja presión para los procesos químicos. La presión del vapor a la salida de la turbina es controlada por una válvula reguladora de presión para obtener la presión de vapor necesa-ria para el proceso.

Extracción e inducción

En una turbina de extracción parte del vapor es liberado o extraído en diver-sas etapas para derivarlo y aprovecharlo en distintos procesos industriales, o puede ser enviado a calentadores de agua o calderas para sobrecalentarlo y en-viarlo a etapas intermedias mejorando así la eficiencia del ciclo. Estas turbinas se utilizan en muchos tipos de aplicaciones y el vapor de agua normalmente es controlado con una válvula de control de presión para su aprovechamiento en distintos procesos.

Las turbinas de inducción se caracterizan por introducir vapor a baja pre-sión en una etapa intermedia de una turbina multietapa para así obtener una potencia adicional.

Sabía que...

Una válvula reguladora de presión es una válvula que controla la presión que pasa por ella. Regula esta presión automáticamente a través de una señal recibida por un controlador que forma pate de un lazo de control.


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6. Motores eléctricos

Un motor eléctrico es una máquina cuya función es transformar la energía eléctrica que recibe de la red de suministro o de baterías en energía mecánica mediante interacciones mecánicas. Se utilizan en todo tipo de instalaciones industriales.


Imagine que trabaja en la empresa “Turbinas Alternativas, S. A.”, y es el operador de una turbina de vapor. Haciendo el control diario detecta que el nivel del aceite está muy bajo, aunque ayer estaba en el nivel normal. ¿qué problema puede generar en la turbina esta situación? ¿Cómo actuaría?

SOLUCIÓN

El problema que puede generar es el gripaje del rotor por falta de lubricación.

Se debe parar la turbina de vapor inmediatamente, después ya se buscará cuál es el problema para resolverlo.


Imagine que trabaja en la empresa “Turbinas Alternativas, S. A.”, y es el operador de una turbina de gas. Realizando la parada de la turbina detecta que el motor secundario no funciona. ¿qué problema puede generar en la turbina esta situación?

SOLUCIÓN

Puede hacer que se curve el rotor por su peso o por expansión térmica.

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Todos los motores se basan en el mismo principio de funcionamiento. Como se sabe, una corriente eléctrica que circula por un conductor forma un campo magnético. Si por un conductor eléctrico circula una corriente eléctrica y este se encuentra en el campo de acción de otro campo magnético que sea más potente, la interacción de ambos campos provoca que el conductor eléctrico se desplace perpendicularmente a las líneas de acción de este campo magnético más potente. Si este campo magnético lo provocan los polos situados en el estator, el desplazamiento perpendicular será el movimiento circular del rotor del motor, que se transmite al exterior mediante el eje del mismo. Por lo tanto, así se transforma la energía eléctrica en energía mecánica rotacional.

6.1. Motores de CA

Los motores de CA son aquellos alimentados por corriente alterna. La ven-taja fundamental respecto a los de CC es su menor coste de fabricación y mantenimiento. La mayoría de los motores modernos son de corriente alterna.

Principio de funcionamiento de motor eléctrico

S

N

Nota

Existen dos tipos de motores eléctricos en función de la corriente de alimentación al motor. Estos son los motores de corriente alterna (CA) y los motores de corriente continua (CC).


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Los motores de CA se dividen en dos categorías, los síncronos y los de in-ducción o asíncronos. La diferencia radica en que en los síncronos la velocidad del campo magnético del estator es exactamente igual que la velocidad con la que gira el rotor, en cambio, en los de inducción o asíncronos, la velocidad del campo magnético es mayor que la velocidad a la que gira el rotor.

Existe otra división de los motores eléctricos en otras dos categorías, los motores monofásicos y los trifásicos que son los que están alimentados por una conducción eléctrica de una sola fase o de tres fases, respectivamente.

Principales partes constructivas. Características eléctricas de los motores CA. Utilización. Tipos de conexión. Regulación de potencia y velocidad. Aparatos de maniobra (seccionadores, interruptores, relés)

Los principales aspectos a tener en cuenta en los motores de CA son los que se detallan a continuación.

Principales partes constructivas

Los motores de CA están formados por diversos elementos, pero sus partes principales son el rotor, el estator, la carcasa, la caja de conexiones, el eje, la base, las tapas y los cojinetes. Estos se detallan a continuación:

� Rotor: es el elemento giratorio de transferencia mecánica, ya que en él se convierte la energía eléctrica en mecánica. En su centro se aloja el eje o flecha que se sostiene sobre cojinetes. Está separado

Nota

Los monofásicos están limitados a potencias de pocos caballos de fuerza y se fabrican solamente en inducción. Los motores trifásicos pueden ser de inducción y síncronos, por lo que solo existen motores síncronos trifásicos.

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del estator por un entrehierro que es un espacio vacío entre estator y rotor para evitar el rozamiento entre estos.

� Estator: se mueve magnéticamente pero no mecánicamente. Se en-cuentra situado alrededor del rotor y posee devanados o bobinados. Está formado por pequeñas láminas de acero al silicio donde se en-cuentran perforadas ranuras que contienen los devanados.

� Carcasa: es la parte que cubre y protege al estator y al rotor, aseguran-do la estanqueidad en su interior.

� Caja de conexiones o de bornes: es el elemento donde se alojan los bornes que son los elementos donde van conectadas las conexiones de la red de alimentación externa al motor. La función de la caja es protegerlos.

� Eje: elemento mediante el cual se transmite la energía mecánica gira-toria a otra máquina acoplada, como por ejemplo, una bomba.

Definición

Devanado o bobinadoSon bobinas de cables eléctricos con longitudes enormes por los que circula la corriente eléctrica en el interior del motor. Están en el estator y en el rotor en los motores de CC y en los motores de CA de rotor devanado.


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� Base: es el elemento que soporta al motor. � Tapas: son dos, y tienen como función el cierre de la carcasa y el sos-tenimiento de los cojinetes.

� Cojinetes o rodamientos: son los elementos que sostienen y fijan el eje mecánico, y reducen su fricción.

Además, el motor puede incorporar un freno y un aspa para forzar su autorrefrigeración, es decir, un ventilador.

Características eléctricas de los motores CA

Todo motor tiene una placa de características en su carcasa donde su fabricante incluye una serie de datos que son fundamentales para el usua-rio. Entre estos datos, y según la norma con la que se fabrique el motor, aparece la potencia, la intensidad, el voltaje, la frecuencia, el factor de frecuencia, velocidad, etc.

Las principales características de los motores de CA con las que se conocerán los parámetros de operación de los motores, y que deben es-tar en la placa de características, son, además de las ya estudiadas, las siguientes:

Partes de un motor eléctrico

TapaCarcasa

Estator

Cojinete

Eje

Rotor

BaseCaja de

conexiones

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Utilización

Actualmente, en la industria química se utiliza normalmente el motor de CA de inducción monofásico o trifásico. Dentro de estos dos se emplea bastante más el trifásico, ya que el monofásico tiene menor rendimiento, menor factor de potencia, y son más voluminosos a igual potencia.

Sabía que...

Los voltajes normalizados en Europa son de 230 y 400 V y la frecuencia es de 50 Hz.

Revoluciones por minuto (r. p. m.)

Es el número de vueltas que efectúa el rotor por minuto. Su símbolo es omega (w). w = 2 * P * F Siendo F = la frecuencia.

Factor de potencia (cos Φ)

Es la relación entre la potencia real y la potencia aparente. La potencia aparente es el producto de la intensidad y la tensión. Su valor aproximado está entre 0.8 y 0.85, y se puede expresar también como porcentaje.

Número de fasesEs el número de conductores que tiene el motor. Normalmente los motores son monofásicos o trifásicos, si tiene una o tres fases respectivamente.

Par o torqueEs un conjunto de dos fuerzas de magnitudes iguales pero de sentido contrario que se representa por un vector perpendicular al plano del par.

FrecuenciaEs el número de repeticiones de un mismo movimiento durante un segundo, su unidad es el herzio (Hz), que es segundos-1. La frecuencia (F) y el tiempo (t) están relacionados inversamente. F = 1 / t.

Eficiencia (η)

Es el factor que indica el grado de pérdida energética del motor. Es la relación entre la potencia útil del motor, es decir, usada para un fin concreto (mover una bomba) y la potencia eléctrica del motor. Normalmente se expresa en porcentaje.


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Como se estudiará más adelante, en el motor de inducción de jaula de ardillas de CA se puede regular muy bien su velocidad y su potencia con los variadores de frecuencia. Además necesita menos mantenimiento y es más barato que el motor de CC y que el motor de inducción con rotor de-vanado de CA (estos dos últimos tienen los mismos elementos). Por tanto, en la industria química, siempre que se puede se utiliza el motor trifásico de jaula de ardilla, ya que son bastante robustos, tienen pocos componen-tes, poco mantenimiento, alto grado de protección, y además, bajo costo. Tampoco se producen chispas en su interior, por lo que se pueden montar en zonas con riesgo de explosión.

Los motores de CA de jaula de ardillas, tanto los monofásicos como los trifásicos, se utilizan en la industria química para accionar máquinas-herramientas, bombas, elevadores, ventiladores, sopladores, etc. Son los más utilizados con diferencia, y se caracterizan por tener un rotor con forma parecida a una jaula de ardillas, sin devanados y con una serie de barras de cobre o aluminio soldadas a dos anillos extremos.

Importante

Solo se utiliza el motor monofásico si la alimentación eléctrica o la corriente eléctrica de entrada en el motor es también monofásicas.

Forma del rotor del motor de jaula de ardilla

Eje

Anillos extremos

Barras conductoras soldadas a las piezas terminales

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Existe otro motor de CA que es el monofásico o trifásico de rotor bo-binado, que se caracteriza por tener un bobinado o devanado en el rotor y un colector con escobillas tal y como se constituyen los motores de CC. Se suelen utilizar para los mismos usos que los de jaula de ardillas, pero cuando la potencia a transmitir sea muy elevada. Son más caros y necesi-tan más mantenimiento.

Tipos de conexión

En los motores trifásicos, la caja de conexiones tiene seis bornes que hay que conectar. Esto se puede hacer de dos formas:

� En estrella: en este tipo de conexión, las fases se conectan en un único punto.

� En triángulo: en este tipo de conexión se conecta el final de cada fase al comienzo de la siguiente.

Tanto la conexión de estrella como la de triángulo se realizan dentro de la caja de conexiones en la placa de bornes mediante conexiones y puentes.

Regulación de potencia y velocidad

La regulación de la velocidad y de la potencia es necesaria en un mo-tor eléctrico debido a que normalmente estos tienen una velocidad y una potencia superior a la que el equipo al que esté acoplado (una bomba por ejemplo) necesita. Para ello, en los motores de corriente alterna, existen dos posibilidades.

Conexión en estrella y en triángulo mediante esquemas y bornes

Estrella EstrellaTriángulo

Triángulo

L1 L1 L1

u

z z

uv

x x

vw

y y

w

L2 L3 L3L2L1

L2 L2

L3 L3


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La primera posibilidad es utilizar los reductores mecánicos de veloci-dad, que como ya se sabe, adaptan la velocidad del motor a la velocidad que necesita el equipo al que esté acoplado. La potencia del reductor se debe corresponder con la del motor. Normalmente para llevar a cabo esto se utilizan los motorreductores.

La segunda posibilidad para regular la velocidad de un motor eléctri-co, y que es la más utilizada en los motores trifásicos de inducción, es la utilización de los variadores electrónicos de frecuencia. Este equipo elec-trónico puede variar la velocidad mediante la variación de la frecuencia, la tensión y la intensidad de la corriente eléctrica de entrada al motor. Además, como la potencia depende de estas tres variables, al controlarlas se puede regular también la potencia del motor. Por tanto, con un variador electrónico de frecuencia se puede controlar la velocidad y la potencia de un motor eléctrico de CA.

Los variadores de frecuencia se utilizan casi siempre en los motores de CA trifásicos de inducción y en algunas ocasiones en los trifásicos síncro-nos y en los monofásicos.

Recuerde

Los motorreductores son equipos constituidos por un motor y un reductor.

Variador de frecuencia digital

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Aparatos de maniobras (seccionadores, interruptores, relés)

Los aparatos de maniobras son los elementos que se utilizan para ope-rar en las instalaciones y en los motores, y así poder proteger tanto los motores, como a los trabajadores.

Un seccionador es un dispositivo mecánico de maniobra que aísla de la red de alimentación una instalación eléctrica cuando sea necesario, dejando el circuito sin carga o en vacío, es decir, sin corriente. Se utilizan para que los trabajadores puedan operar (mantenimiento y/o reparación) en líneas de alimentación a los motores o en los motores, con la seguridad de que estos se encuentran sin corriente.

Proceso para desconectar un seccionador:

� Desconectar el interruptor principal. � Desconectar el seccionador. � Colocar candado de seguridad en la maneta del seccionador para que nadie lo conecte.

� Colocar cartel informando de avería eléctrica. � Ahora se puede manipular la instalación.

Proceso para conectar un seccionador:

� Conectar el seccionador. � Conectar el interruptor principal.

Importante

Este dispositivo lo debe manipular un trabajador, y se utiliza siempre sin carga, es decir, previamente se corta la corriente con la desconexión del interruptor principal.


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El interruptor magnetotérmico es un dispositivo cuya función es proteger los equipos eléctricos y las instalaciones cuando existen sobreintensidades en la red eléctrica, ya que permiten el paso de la corriente hasta un límite máximo, a partir del que se desconecta y no deja pasar la corriente. También protege contra cortocircuitos en el motor, ya que si se produce un cortocir-cuito el magnetotérmico salta automáticamente y no deja pasar electricidad al motor. Pero, además se puede accionar o detener el funcionamiento de un motor manualmente, dejando pasar la corriente o cortándola.

Seccionador eléctrico monofásico

Sabía que...

Un cortocircuito es un fallo o avería en el motor o la instalación eléctrica en el que la corriente eléctrica de un conductor o de una fase (en circuitos trifásicos, por ejemplo) pasa a otro conductor, a otra fase, a tierra o al neutro, o en CC cuando la corriente pasa de un polo a otro.

Interruptor magnetotérmico trifásico

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El relé eléctrico es un interruptor automático que puede controlar un motor eléctrico mediante una señal enviada a este, y por tanto, puede hacerse a distancia y de forma automatizada. Un relé es un actuador eléc-trico que recibe una señal eléctrica de un controlador en un proceso au-tomatizado. Con ellos se puede regular la puesta en funcionamiento o la detención de un motor y se puede modificar su sentido de giro, o su velocidad. Por ejemplo, para la puesta en funcionamiento y parada de un motor, cuando llega la señal eléctrica al relé hace que se cierre el circuito o la instalación eléctrica dejando pasar la corriente, y cuando no le llega señal eléctrica corta la corriente, no dejándola pasar.

Motor y ambiente de trabajo: tipo de protección (normas IP), temperatura, ambientes agresivos, zonas clasificadas, ambientes inflamables o explosivos (motores seguridad intrínseca, motores antideflagrantes)

Las carcasas de los motores eléctricos son muy importantes desde el punto de vista funcional y en materia preventiva, tanto para la seguridad del equipo como para la seguridad de los trabajadores que lo utilizan.

Estas deben garantizar una protección eficaz para evitar el contacto eléc-trico entre los motores y los trabajadores (contacto eléctrico directo), y la pro-tección del motor contra la penetración de sólidos, líquidos u otros elementos o agentes ambientales.

Relé para cuadro eléctrico de mando


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Para garantizar esto, en los motores y en otros equipos, se redactó la norma EN 60.529/ IEC 529 (norma IP) donde se describe el denominado grado de protección IP (INTERNAL PROTECTION), nivel IP o código IP que deben tener todos estos equipos, inclusive los motores.

Esta norma, y por ende este código, establece unos límites de protección en función de la estanqueidad y robustez que proporciona la carcasa de un motor.

Por tanto el usuario puede conocer las características que tiene una carcasa y saber en qué lugares puede montar o instalar el motor.

Este sistema de codificación se caracteriza por llevar las siglas “IP” segui-das de dos cifras, aunque estas pueden ser sustituidas por la letra “X” cuando no se precise disponer de información especial de alguna de ellas. Opcional-mente, estas cifras pueden ir seguidas de una o dos letras que proporcionan información adicional.

Cifras y letras del código IP

1a cifra (0 a 6, ó letra X). Grado de protección contra el acceso a partes peligrosas y penetración de objetos extraños sólidos

2a cifra (0 a 8, ó letra X). Grado de protección contra penetración de agua con efectos perjudiciales

Letra adicional (A, B, C, D). Opcional

Letra suplementaria (H, M, S, W). Opcional

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Las letras adicionales, que son opcionales, proporcionan el grado de pro-tección de las personas contra el acceso a zonas peligrosas del motor. Son usadas cuando la primera cifra ha sido reemplazada por una “X” o cuando la protección del acceso a la zona peligrosa es más eficaz que la que se ha indi-cado en la primera cifra. Estas letras adicionales se indican con las letras “A”, “B”, “C”, “D” y su significado se corresponde con las cifras “1”, “2”, “3”, “4”, respectivamente.

Las letras suplementarias, que son también opcionales, indican que el pro-ducto satisface unas condiciones particulares.

Significado de las cifras numéricas que acompañan al código IP

Primera cifra Segunda cifra

IPProtección contra contactos eléctricos directos

Protección contra penetración de cuerpos sólidos extraños

IPProtección contra penetración de agua

0 Ninguna protección Ninguna protección 0 Ninguna protección

1 Penetración mano Cuerpos Ø > 50 mm 1 Goteo vertical

2Penetración dedo Ø > 12 mm y 80 mm de longitud

Cuerpos Ø > 12,5 mm 2 Goteo desviado 15º de la vertical

3 Penetración herramienta Cuerpos Ø > 2,5 mm 3Lluvia. Goteo desviado 60º de la vertical

4 Penetración alambre Cuerpos Ø > 1 mm 4Proyececciones de agua en todas dirección

5 Igual que 4Puede penetrar polvo en cantidad no perjudicial

5Chorros de agua en todas direcciones

6 Igual que 4No hay penetración de polvo

6Fuertes chorros de agua en todas direcciones

7 Inmersión temporal

8Inmersión prolongada (Material sumergible)


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Por tanto, todos los motores deben tener indicaciones sobre la codificación IP que tienen.

Por otro lado, los motores están diseñados para trabajar en unas condicio-nes normales de servicio que incluyen una temperatura de 40 ºC. Pero estas condiciones varían con la temperatura. Por ejemplo, cuando un motor se en-cuentra en funcionamiento en un lugar donde la temperatura es superior a 40 ºC, este debe trabajar a una carga inferior de la nominal, ya que, sus propieda-

Significado de letras suplementarias

Letras Significado

H Aparato de alta tensión

MEnsayo de verificación de la protección contra penetración de agua, realizado con las partes móviles del equipo en movimiento

SEnsayo de verificación de la protección contra penetración de agua, realizado con las partes móviles del equipo en reposo

WMaterial diseñado para utilizarse en unas determinadas condiciones atmosféricas que deben especificarse, y en el que se han previsto medidas o procedimientos complementarios de protección

Ejemplo

Indica el significado de los siguientes códigos IP:

\ IP21: protege contra contacto con los dedos mayores que 12 mm de diámetro, contra ingreso de cuerpos sólidos mayores que 12 mm de diámetro y contra gotas verticales de agua.

\ IP22: protege contra contacto con los dedos mayores que 12 mm de diámetro, contra ingreso de cuerpos sólidos mayores que 12 mm de diámetro y contra gotas de agua desviadas hasta una inclinación de 15 grados con la vertical.

\ IP55: protege completamente contra contacto eléctrico directo (penetración alambre), contra la acumulación de polvo que pueda ser perjudicial para el motor y contra chorros de agua en todas las direcciones.

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des refrigerantes disminuyen al aumentar la temperatura (tanto el aire como el agua). Además, si la temperatura es bastante alta se pueden deteriorar algunos elementos internos del motor.

Conocer la temperatura ambiente del lugar donde vaya a ser situado es fundamental antes de seleccionar o comprar un motor. Si la temperatura del ambiente es alta se debe seleccionar un motor con un aislamiento térmico ade-cuado para soportar dicha temperatura. Para ello se establecen varias clases de aislamientos de motores eléctricos con las temperaturas máximas que puede soportar su aislamiento sin afectar a su funcionamiento:

También se deben considerar las condiciones ambientales, como la pre-sencia de agentes químicos y ambientes agresivos en el lugar de instalación, si están expuestos a ambientes corrosivos, con vapores o gases agresivos, am-bientes muy húmedos, etc. que pueden deteriorar al motor. Para ello se protege correctamente el motor con un aislamiento adecuado el devanado del motor, pinturas especiales anticorrosivas, utilización de tornillería espacial, juntas de goma para aislar la caja de conexiones, etc.

También es importante comprobar si el motor se va a colocar en alguna zona con riesgos explosivos o inflamables, ya que en ese caso debe garantizar una protección eficaz.

Clase de aislamiento

Temperatura máxima que puede soportar un motor eléctrico (ºC)

Y 90

A 105

E 120

B 130

F 155

H 180

C > 180


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Según el Real Decreto 681/2003, Reglamento ATEX, las áreas de riesgo en atmósferas explosivas se clasifican en dos tipos de zonas, las zonas de clase I (zona 0, 1 y 2) y las zonas de clase II (zonas 20, 21 y 22) teniendo en cuenta la frecuencia con que se produzcan atmósferas explosivas y su duración. Las zonas clasificadas son:

Definición

Atmósfera explosiva o inflamableEs la mezcla de sustancias inflamables en forma de gas, vapor, niebla o polvo con aire en condiciones atmosféricas, en la que después de una ignición, la combustión se propaga muy rápidamente a toda la mezcla no quemada.

CLASE ILugares donde pueden existir gases, vapores o nieblas en cantidad suficiente para producir atmósferas explosivas o inflamables. También se incluyen los lugares donde hay o puede haber líquidos inflamables.

Zona 0 Área de trabajo con presencia permanente o por un periodo de tiempo prolongado de esta atmósfera explosiva o inflamable.

Zona 1 Área de trabajo en la que es probable, en condiciones normales de explotación, la formación ocasional de esta atmósfera explosiva o inflamable.

Zona 2Área de trabajo en la que no es probable, en condiciones normales de explotación, la formación de esta atmósfera explosiva o inflamable. Esta solo permanece durante un breve periodo de tiempo.

CLASE II Lugares donde pueden existir nubes de polvo combustible.

Zona 20Área de trabajo con presencia permanente o por un periodo de tiempo prolongado de esta atmósfera explosiva o inflamable.

Zona 21Área de trabajo en la que es probable, en condiciones normales de explotación, la formación ocasional de esta atmósfera explosiva o inflamable.

Zona 22Área de trabajo en la que no es probable, en condiciones normales de explotación, la formación de esta atmósfera explosiva o inflamable. Esta solo permanece durante breves periodos de tiempo.

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Para seleccionar un motor a instalar en una de estas zonas clasificadas, pri-mero hay que saber en qué zona se determina el lugar donde se va a ubicar el motor. A continuación se debe elegir un motor que esté incluido en una de las categorías siguientes que cumplen con los requisitos que les son de aplicación para estas zonas y que están establecidos en la norma UNE-EN 60079-14 y UNE-EN-50281-1-2 respectivamente.

El montaje de estos motores se debe realizar de acuerdo con las instruc-ciones de montaje e instalación del fabricante. Además, un motor eléctrico podrá trabajar en zonas explosivas si tiene alguno de los siguientes tipos de protección:

■ Protección intrínseca: un motor tiene seguridad intrínseca si no produce chispas o situaciones térmicas que puedan originar inflamación en una atmósfera inflamable. Se nombra con la letra “i”.

■ Protección con envolvente antideflagrante: un motor tiene seguridad antideflagrante si su carcasa o envolvente puede resistir una explosión y no transmitir la inflamación al espacio que existe alrededor de él, ni siquiera a través de sus juntas. Se nombra con la letra “d”.

Por tanto, los motores que tengan estas protecciones deben indicarlo con la letra “i” o con la letra “d”.

Además, cuando un motor esté fabricado con protecciones contra explosio-nes, es decir, para trabajar en atmósferas explosivas, debe tener en la placa de características además del marcado CE, que tiene cualquier equipo eléctrico, el marcado específico contra explosiones, las letras Ex, dentro de un hexágono.

Categoría del equipo Zonas en que se admiten

Categoría 1: nivel de protección muy alto 0,1,2 20, 21, 22

Categoría 2: nivel de protección alto 1, 2 21, 22

Categoría 3: nivel de protección normal 2 22


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Hay que tener en cuenta que una alta temperatura en el motor en un ambien-te explosivo también puede provocar una explosión. Para ello se establece una clasificación de temperaturas máximas superficiales (en las envolventes) para los motores. Cada motor debe indicar qué temperatura máxima superficial puede alcanzar, indicándolo mediante su clase de temperatura (T1, T2, T3, etc.).

Marcado específico de protección contra explosiones

Importante

La temperatura máxima superficial para los motores nunca puede superar la temperatura mínima a la que puede llevarse a cabo el encendido de una sustancia en forma de vapor o gas con el aire.

Clase de temperatura Temperatura máxima superficial (ºC)

T1 450

T2 300

T3 200

T4 135

T5 100

T6 85

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En el caso del polvo, la temperatura máxima superficial será de 2/3 de la tem-peratura mínima a la que puede llevarse a cabo el encendido de la nube de polvo.

Motor y el mantenimiento: calentamiento excesivo, ruidos anormales, anomalías en el sistema de refrigeración, problemas más usuales

Como ya se sabe, para realizar el mantenimiento de cualquier equipo elec-tromecánico, este puede llevarse a cabo mediante dos tipos de actuaciones: el mantenimiento preventivo y el mantenimiento correctivo.

El mantenimiento preventivo tiene como finalidad reducir las averías del motor, tener un mayor cuidado y aumentar la vida útil del mismo, por lo que se reducen las paradas en los procesos. El mantenimiento correctivo se lleva a cabo cuando se produce un problema o una avería, y la actuación normalmente es sustituir un elemento o componente que se haya estropeado en el motor.

En el mantenimiento siempre hay que seguir las indicaciones del fabricante según su manual.

Las actuaciones generales de mantenimiento preventivo en los motores de CA, que podrán ser realizadas en diferentes espacios de tiempo, son las siguientes:

Mantenimiento preventivo de motores de CA

- Limpiar de aceite y polvo el exterior de los motores. - Limpiar el interior de la caja de conexiones y los bornes. - Limpiar el aceite y polvo en el interior del motor. - Apretar los tornillos, pernos y tuercas del ensamblaje del motor. - Comprobar el estado de los cojinetes, y en su caso, reemplazarlos. - Comprobar si existen vibraciones. - Lubricar los cojinetes. - Limpiar los tubos de los intercambiadores de calor o del radiador, si tiene. Estos son elementos del

sistema de refrigeración con líquido. - Cambiar en el sistema de refrigeración el filtro de aire, si tiene. - Limpiar los elementos extraños que puedan obstruir las rejillas o ranuras de entrada de aire en la

cámara externa de los motores con ventiladores como refrigerante, si tiene. - Cambiar el filtro del ventilador, si tiene. - Verificar el aislamiento en los bobinados o devanados, y limpiarlos. - Inspeccionar todas las conexiones.


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Por otro lado, los motores están sujetos a muchos problemas durante su vida útil. Es importante conocer cuáles pueden ser esos problemas y buscarles solución. Para ello, a continuación se exponen algunas de las averías más ha-bituales en los motores de CA con sus causas y su mantenimiento correctivo:

Nota

El calentamiento de un motor de CA es la causa más frecuente de fallos en los motores eléctricos, ya que daña la parte más vulnerable del motor, el aislamiento. El calentamiento del motor termina quemando el motor.

PROBLEMAS HABITUALES EN LOS MOTORES DE CA JUNTO CON SUS CAUSAS Y SU MANTENIMIENTO CORRECTIVO

Calentamiento excesivo

Devanado del estator en cortocircuito, abierto o conectado a tierra.

Revisar y cambiar la o las bobinas defectuosas.

Devanado del rotor en cortocircuito, abierto o conectado a tierra, en su caso.

Revisar y cambiar la o las bobinas defectuosas.

Conexiones defectuosas. Comprobar conexiones en la placa de los bornes.

Funcionamiento incorrecto del sistema de refrigeración.

Ver apartado de anomalías en refrigeración.

Exceso de carga en el motor.Reducir carga o sustituir motor. Comprobar voltaje o intensidad de corriente y cambiar.

Fusible abierto o quemado. Cambiar el fusible.

Temperatura ambiente muy elevada. Airear la zona.

Tensión de red elevada. Disminuir la tensión de red.


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Existen otros problemas habituales en los motores de CA, tanto de tipo eléctrico como de tipo mecánico. En general los problemas habituales son los siguientes:

PROBLEMAS HABITUALES EN LOS MOTORES DE CA JUNTO CON SUS CAUSAS Y SU MANTENIMIENTO CORRECTIVO

Ruidos anormales

Acoplamiento está flojo. Apretar el acomplamiento.

Acoplamiento mal alineado. Revisar la alineación y volver a alinear.

Vibraciones de elementos.Verificar fijaciones y cojinetes, y fijarlos, si es necesario.

Barra del rotor rota o desoldada. Comprobar barra del rotor y soldar.

Cortocircuito en el rotor, en su caso.Comprobar el devanado del rotor, si tiene devanado el rotor, y reparar.

Entrehierro no uniforme. Verificar el rotor y los cojinetes, y centrar el rotor.

Avería en los rodamientos. Sustituir rodamientos.

Exceso de cargaReducir carga o sustituir motor. Comprobar voltaje o intensidad de corriente y cambiar.

Anomalías en el sistema de refrigeración

Ventilación no adecuada.Comprobar y limpiar de elementos extraños en las rejillas de entrada de aire de los ventiladores.

Se ha soltado el ventilador. Montar de nuevo el ventilador.

Se ha roto el ventilador. Montar un nuevo ventilador.

Giro en sentido inverso del ventilador. Montar un nuevo ventilador.

Temperatura ambiente alta.Alejar las fuentes de calor del motor y aumentar la ventilación en el local.

Refrigerador o filtro sucio. Limpiar refrigerador y/o cambiar filtro.

Líquido de refrigeración no suficiente. Comprobar el caudal y aumentarlo si es necesario.

Temperatura alta de líquido de refrigeración o aire. Limpiar conducciones de aire.



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6.2. Motores de CC

Los motores de CC son aquellos alimentados por corriente continua. La ventaja fundamental respecto a los de CA es su mayor grado de flexibilidad para el control de la posición de paro y velocidad, pero su coste de fabricación y mantenimiento es más alto que los motores de CA.

Principales partes constructivas. Características eléctricas de los motores CC. Utilización. Tipos de conexión. Regulación de potencia y velocidad. Aparatos de maniobra (seccionadores, interruptores, relés)

Los principales aspectos a tener en cuenta en los motores de CC son los que se describen a continuación.

Principales partes constructivas

Están constituidos esencialmente por los mismos elementos que los motores de CA, con algunos cambios en el rotor y el estator, y con dos nuevos elementos como son las escobillas y el colector, por lo que se in-dicarán solo estos:

� El rotor o inducido: es una pieza cilíndrica de chapas superpuestas magnéticas perpendiculares al eje del cilindro y aisladas entre sí. Estas chapas tienen una serie de ranuras paralelas al eje del motor donde están alojados los bobinados o devanados (conductores). Es

Problemas en los motores eléctricos

- Soltarse contactos por falta de apriete o por vibraciones. - Chisporroteo en la caja de bornes. - Rotura de la caja de bornes. - El motor no arranca o lo hace con dificultad. - El motor gira en sentido contrario. - El motor gira pero la máquina está parada. - Roturas o fisuras del motor. - Rotura del algún tornillo del motor. - Desajuste del freno, si tiene.

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móvil y gira alrededor de su eje separado del estator por un entrehie-rro. Este incluye un elemento que es el colector.

� El estator o inductor: es un elemento inmóvil del motor en el que se encuentran situado el bobinado o devanado que genera el campo magnético de escitación. Está unido a la carcasa y en él se encuen-tran los bobinados o devanados que generan el campo magnético de excitación.

� Colector: es un componente situado en el rotor y es esencial para el funcionamiento de este tipo de motores. El colector es un conjunto de láminas conductoras que se encuentran totalmente aisladas unas de otras sobre las que las escobillas se deslizan para alimentar los bobinados o devanados del rotor que están conectados a este.

� Escobillas: son los elementos fijos que rozan en el colector, alimen-tando así los conductores del rotor. Su función es la conexión eléc-trica entre el rotor y el estator por contacto deslizante. El portaesco-billa es el elemento que une una escobilla al estator.

Rotor y estator


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Características eléctricas de los motores CC

Todo motor de CC también tiene una placa de características en su carcasa donde su fabricante incluye una serie de datos que son funda-mentales para el usuario.

Las principales características de los motores de CC, que normalmente están en esa placa, y con las que se conocerán los parámetros de opera-ción de los motores son la potencia, el voltaje, la corriente eléctrica, las revoluciones por minuto, el par o torque, la frecuencia y la eficiencia, definidas todas anteriormente.

Utilización

Existen cuatro tipos de motores de CC dependiendo de la conexión del devanado de rotor con el devanado del estator, que son:

� Motores de excitación en serie. � Motores de excitación en derivación o shunt. � Motores de excitación compuesta. � Motor de excitación independiente.

Partes del motor de corriente continua

Cojinete

Carcasa Bornes Colector

Cojinete

Orificios ventilación

EscobillaBobina del estatorEstator

Rotor

Orificios ventilación

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De todos estos motores, el que se utiliza normalmente en la industria química es el motor de excitación en derivación o en paralelo. Habitual-mente es usado para ventiladores, máquinas o herramientas y bombas. Este tipo de motor se caracteriza por tener un buen control de la velocidad de rotación, manteniendo su velocidad constante bastante bien.

Tipos de conexión

En la caja de conexiones se dispone de varios bornes de conexión con letras, con las que se pueden realizar las diferentes conexiones del motor. Estos bornes son: A – B para el bobinado inducido o del rotor (indepen-dientemente del tipo de motor), y para el devanado inductor o del estator, puede ser:

� E - F en el motor de excitación en serie. � C - D en el motor de excitación en derivación o shunt. � G - H en el motor de compensación y de conmutación. � J - K en el motor de excitación independiente.

Para conexionar el polo positivo y el negativo de la corriente continua sobre estos bornes se debe seguir las indicaciones del fabricante en el manual de montaje y mantenimiento.

Esquema de conexión entre el devanado del rotor (M) y el devanado del estator (caja negra) para los cuatro tipos de motores comentados, respectivamente

M M M M


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Regulación de potencia y velocidad

La velocidad del motor varía con la tensión de entrada al rotor, y por tanto, si se modifica ese voltaje de entrada o su intensidad, se podrá regular la velocidad del motor. Como la potencia depende de la tensión, regulando esta, también se puede controlar la potencia del motor.

Existen varios métodos y equipos para regular la tensión y la intensidad para así controlar la velocidad del motor. El método más utilizado por su sencillez, y concretamente más utilizado para los motores de excitación en derivación, que son los más utilizados en la industria química, es la utilización de un equipo denominado reostato. Este se debe instalar en serie con el devanado inductor. Su regulación se lleva a cabo manteniendo la intensidad constante y variando su resistencia eléctrica, por lo que de esa manera, según la ley de Ohm, se puede variar la tensión eléctrica, y por tanto, controlarla. Controlando la tensión eléctrica (V) y manteniendo la intensidad (I) constante se puede controlar la potencia:

Ejemplo

Para el motor de excitación en derivación o shunt: se conecta el polo positivo en el borne A y el negativo en el borne B, y se hace un puente entre los bornes A y C, y otro entre los bornes B y D.

Tipos de conexión del polo positivo y negativo sobre los bornes para los motores en serie y en derivación

Bobinado inductor

Bobinado inductor

Bobinado inducido

Bobinado inducido

Serie Shunt

ECF

D

A A

+

+ +

B B-

M M

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Aparatos de maniobra (seccionadores, interruptores, relés)

Los aparatos de maniobras en los motores de CC son los mismos que los de CA, realizando el seccionador y el interruptor la misma función, y el relé controlando la puesta en marcha, la detención y el giro del motor de CC.

Motor y ambiente de trabajo: tipo de protección (normas IP), temperatura, ambientes agresivos, zonas clasificadas, ambientes inflamables o explosivos (motores seguridad intrínseca, motores antideflagrantes)

Los motores eléctricos de CC también deben garantizar una protección con-tra contactos eléctricos directos de las personas y una protección del propio equipo contra la penetración de agentes ambientales, ya sean sólidos o líqui-dos, proteger ante altas temperaturas, ambientes agresivos, inflamables y ex-plosivos, y otros aspectos ambientales. Por ello se tendrá en cuenta todo lo que se ha estudiado en los motores de CA, ya que se puede aplicar en los motores de corriente continua.

Definición

ReostatoEs un instrumento que normalmente se usa para variar la resistencia de un circuito eléctrico, y por tanto, para controlar la tensión o la intensidad.

P = V ∙ I


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Motor y su mantenimiento: calentamiento excesivo, ruidos anormales, anomalías en el sistema de refrigeración, problemas más usuales

En los motores de CC también se debe llevar a cabo un mantenimiento preventivo y otro correctivo, siguiendo las indicaciones del fabricante según su manual de mantenimiento. La diferencia en este mantenimiento respecto a los motores de CA radica fundamentalmente en el mantenimiento de las escobillas y del colector, lo que hace que sea algo más complicado y caro. Por tanto, este epígrafe se va a centrar en estos elementos diferenciadores respecto a los mo-tores de CA, ya que para el resto de elementos se llevaría a cabo de igual ma-nera. Las actuaciones de mantenimiento para estas escobillas y colectores son:

Recuerde

Los motores eléctricos más utilizados en la industria química son los motores trifásicos de CA de inducción debido a que tienen menos mantenimiento que los de CC y que con los variadores de frecuencia se puede hacer un adecuado control de la velocidad del motor y de su potencia.

Mantenimiento preventivo de motores de CC

Limpiar en el interior del motor el polvo generado por el desgaste de las escobillas.Comprobar si las escobillas se encuentran gastadas y si pueden moverse con libertad. En su caso, cambiar las escobillas y los muelles que las acompañan.Comprobar la situación de los portaescobillas.Revisar el colector del motor y comprobar si este está roto, sucio, o tiene irregularidades.

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Por otro lado, la principal causa de averías en los motores de CC son las escobillas, por lo que hay que cambiarlas si no están en buen estado durante el mantenimiento preventivo tal y como se ha indicado anteriormente. Los problemas habituales en los motores de CC relacionados con las escobillas y el colector son:

Escobillas en buen estado y gastadas

Longitud de escobilla para una tensión adecuada del muelle

Con la escobilla muy gastada, es nula la tensión del muelle

Colector


Imagine que trabaja en la empresa “Motores Rápidos S. L.”, y un motor trifásico de jaula de ardillas de corriente alterna que lleva funcionando varios años en las mismas circuns-tancias se calienta demasiado. Rápidamente, le llaman a usted, que conoce muy bien el motor para detectar cuál es el problema. Usted se acerca y comprueba que la temperatura en el recinto donde se encuentra situado el motor es de 25 ºC aproximadamente y que la tensión de red eléctrica es de 400 V. Posteriormente abre el motor y comprueba que los tres fusibles están correctamente y que no hay conexiones defectuosas. Indique cuál debe ser la causa del calentamiento excesivo y cuál es la solución si el sistema de refrigeración funciona correctamente.

Problemas en los motores eléctricos de CC

- Las escobillas no hacen buen contacto. - Las escobillas se encuentran mal ajustadas. - Se forman chispas en las escobillas. - Desgaste desigual, marcas, surcos o manchas en el colector. - Desgaste, desgaste desigual, desplazamiento, vibración, rotura o quemado de las escobillas.



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SOLUCIÓN

La causa es que el devanado del estator está en cortocircuito, abierto o derivado (conectado) a tierra. La solución es que hay que revisar este devanado, es decir, los cables de las bobinas que tiene este motor para buscar cuál es la bobina que está defectuosa, y sustituirla. Se descartan el resto de posibilidades por las siguientes causas:

\ Devanado de rotor: porque el motor de jaula de ardillas no tiene este devanado. \ Exceso de carga en el motor: porque lleva varios años funcionando en las mismas

circunstancias, y por tanto, con la misma carga. \ Temperatura ambiente muy elevada: la temperatura en el recinto donde se encuentra

situada es de 25 ºC, por lo que no es alta. \ Tensión de la red elevada: la tensión de la red es la correcta, 400 V, por lo que no es

elevada.



Imagine que trabaja en la empresa “Motores Rápidos S. L.”, y que ha comprado un mo-tor que tiene las siguientes indicaciones en la placa característica: 3~, 380 V estrella, 100 A, 55 kW, cos ϕ = 0,90, 2955 min-1 50 Hz, Cl.F, IP-55, Ex “d”. Indique qué característi-cas tiene ese motor. Si se va a ubicar en una zona sin techar y calificada como inflamable o explosiva, ¿se ha hecho la elección correcta?

SOLUCIÓN

Se trata de un motor trifásico (3~) de 380 V en estrella, con una intensidad de 100 amperios, una potencia de 55 kW, un factor de potencia de 0,90, 2955 revoluciones por minuto, un ais-lamiento de temperatura clase F, una protección IP-55 y apto para el montaje en lugares con atmósferas inflamables o explosivas (Ex), con seguridad de tipo antideflagrante (d).

Se ha hecho una elección correcta debido a que:

\ La protección IP-55 protege el motor contra chorros de agua en todas direcciones, y por tanto, ante la lluvia, que es problema por estar en una zona sin techar.

\ La Ex significa que el motor es apto para trabajar en atmósferas inflamables y explosivas y su tipo de protección es de seguridad antideflagrante, que se indica con una “d”.

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7. Resumen

Las bombas centrífugas y de desplazamiento positivo, compresores centrí-fugos y alternativos, turbinas de vapor y gas, y motores eléctricos de corriente continua y alterna que se han estudiado durante este capítulo se encuentran habitualmente en cualquier planta química.

Por ello se debe tener un conocimiento adecuado de las bombas centrífu-gas, sobre sus variables y curvas características, tipos de bombas, partes prin-cipales del grupo motor-bomba, operaciones de arranque y parada, problemas habituales, y regulación de la descarga.

Además, es necesario saber sobre las bombas de desplazamiento positivo, cuáles son sus variables características, tipos de bombas, detalles constructi-vos, operaciones de arranque y parada, y los problemas comunes que tienen durante su operación.

También es conveniente conocer sobre los compresores cuáles son sus principios y especificaciones, relación de compresión, tipos de compresores, descripción y detalle mecánico y funcionamiento, dispositivos y métodos de regulación, operación y mantenimiento, principios de funcionamiento, puesta en marcha y parada, utilidad e importancia de los manuales de operación y mantenimiento del fabricante, control y anomalías durante la operación, ave-rías más usuales y causa, y mantenimiento.

Por otro lado es necesario conocer las turbinas de vapor y de gas, sobre todo su utilización en la planta química, funcionamiento, partes principales, puesta en marcha, operación y parada, control y vigilancia durante su opera-ción, problemas más frecuentes, sistemas auxiliares, mantenimiento básico y supervisión de las operaciones de mantenimiento específico.

Por último, también se debe tener conocimientos sobre los motores de co-rriente alterna y continua, cuáles son sus principales partes constructivas, ca-racterísticas eléctricas, utilización, tipos de conexión, regulación de potencia y velocidad, aparatos de maniobra, tipos de protección ante ambientes adversos del trabajo, problemas más usuales y mantenimiento.

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1. Una curva característica de las bombas centrífugas es:

a. La curva altura-caudal.b. La curva consumo-caudal.c. La curva rendimiento-caudal.d. Todas las opciones anteriores son correctas.

2. Las bombas centrífugas que por sí solas evitan que se produzcan bolsas de aire en el líquido a bombear son:

a. Las bombas autocebantes.b. Las bombas de hélice.c. Las turbobombas.d. Las bombas horizontales.

3. Las bombas de desplazamiento positivo...

a. ... siempre hay que cebarlas.b. ... desplazan el líquido de forma continua.c. ... suelen trabajar a alta presión.d. ... pueden ser de pistón, de émbolo o de membrana.

4. Indique cuál de las siguientes no es una bomba giratoria.

a. La bomba de lóbulos.b. La bomba de membrana.c. La bomba de tornillo sinfín.d. La bomba de engranajes.


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5. Si se para el compresor por causas desconocidas, esto puede ser debido a que...

a. ... falta aceite.b. ... la válvula de seguridad está estropeada.c. ... la empaquetadura está floja.d. ... la válvula de entrada o de salida al compresor está en malas condiciones.

6. Una de las actuaciones del mantenimiento básico periódico de un compresor es:

a. Controlar el nivel de aceite, y añadir si es necesario.b. Apretar todas las uniones atornilladas.c. Revisar y en su caso limpiar el filtro de aire.d. Todas las opciones anteriores son correctas.

7. Las turbinas de gas están compuestas principalmente por los siguientes elementos:

a. Rotor, estator y compresor.b. Compresor, cámara de combustión y turbina de expansión.c. Rotor, alternador, compresor y cámara de combustión.d. Cámara de combustión, turbina de expansión y alternador.

8. Una turbina de extracción se caracteriza porque...

a. ... parte del vapor puede ser liberado en diversas etapas y aprovechado en los distintos procesos.

b. ... introduce vapor a baja presión en una etapa intermedia para producir potencia adicional.

c. ... puede obtener agua de refrigeración entre sus productos.d. ... la expansión se produce tanto en los álabes fijos como en los móviles.

9. El dispositivo eléctrico que puede controlar el funcionamiento de un motor eléctrico es:

a. El seccionador.b. El interruptor magnenotérmico.c. El relé.d. El diferencial.


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10. La protección IP en un motor eléctrico es una protección contra...

a. ... las altas temperaturas.b. ... las explosiones e incendios.c. ... contactos eléctricos directos.d. Todas las opciones anteriores son correctas.

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