Inyeccion

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN

“CALCULO DE LA RED HIDRAÚLICA PARA EL CIRCUÍTO DE ENFRIAMIENTO DE UN PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICOS”

TESINA QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO MECÁNICO

PRESENTAN: ANDRADE ARIAS MARGARITA ZARZA DE LA CRUZ NANCY

DIRIGIDA POR:

ING. JESUS DE LOS ANGELES PEREZ ESPIRIDION ING. FERNANDO MORALES GARCIA

MÉXICO D.F. JUNIO DE 2010

IPN ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN

TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECANICO NOMBRE DEL SEMINARIO: INSTRUMENTACION Y CONTROL DE SISTEMAS HIDRAULICOS Número de registro DES/ESIME-CUL-2009/56/09 DEBERA DESARROLLAR:

MARGARITA ANDRADE ARIAS NANCY ZARZA DE LA CRUZ NOMBRE DEL TEMA

“CALCULO DE LA RED HIDRÁULICA PARA EL CIRCUITO DE ENFRIAMIENTO DE UN PROCESO DE INYECCIÓN DE PLÁSTICOS” INTRODUCCION

El proceso de inyección de termoplásticos se fundamenta en fundir un material plástico y hacerlo fluir hacia un molde, a través de una boquilla en la máquina de inyección, en donde llena una cavidad que le da una forma determinada permitiendo obtener una amplia variedad de productos. El moldeo por inyección es la técnica de procesamiento de mayor utilización para la transformación de plásticos. Su popularidad radica en la versatilidad para obtener productos de variadas geometrías y para diversos usos. CAPITULADO CAPÍTULO l GENERALIDADES DEL PROYECTO CAPÍTULO ll CONCEPTOS DE INGENIERÍA CAPITULO lll PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO CAPITULO lV DESARROLLO DEL PROYECTO CAPITULO V COSTO-BENEFICIO Fecha: México D.F. a 12 de junio de 2010 ING. JESÚS DE LOS ANGELES PÉREZ ESPIRIDION COORDINADOR DEL SEMINARIO

ING. FERNANDO MORALES GARCÍA ASESOR

ING. ARACELI LETICIA PERALTA MAGUEY JEFA DE LA CARRERA DE I.M.

ÍNDICE GENERAL Índice General Índice de Figuras Índice de Tablas Resumen Abstract Objetivo General Justificación Introducción

1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.9.1 1.9.2 1.9.3 1.10

I V VII VIII VIII X XI XII

CAP TULO l GENERALIDADES DEL PROYECTO Antecedentes Históricos El Principio del Moldeo de Plástico Máquina de inyección de Plástico Molde Moldeo por Inyección Control de Parámetros Ciclo de Moldeo Ciclo de Inyección PVT (Relaciones de Presión-Volumen-Temperatura) Cristalización y Deformación de la Pieza al Enfriarse (Contracción) Colada Fría y Caliente Coloración de la Pieza Temperatura de Proceso Flujo y Diseño de Flujo Ventilación y Presión Técnicas Modernas Entradas Características y Requerimientos de la Máquina de Inyección de Plástico

2 3 4 9 10 11 11 12 15 16 18 18 20 21 23 24 25 27 I

1.10.1 1.11 1.12 1.13 1.14

Dimensiones de la Máquina Defectos, Causas Posibles y Soluciones en Partes Moldeadas Reciclaje y Reusó del Plástico Salud y Riesgos para el Entorno Sumario

31 32 37 40 41

2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.7 2.7.1 2.8

CAPÍTULO ll CONCEPTOS DE INGENIERÍA Ecuación de Bernoulli Ecuación General de la Energía Número de Reynolds Flujo Laminar y Turbulento Ecuación de Darcy Diagrama de Moody Pérdidas Menores Redes de Tuberías Redes de Tubería en Serie Redes de Tubería en Paralelo Potencia y Eficiencia Carga Neta Positiva de Succión (C.N.P.S.) Gravedad Específica Presión de Vapor Selección y Aplicación de Bombas Curvas de Rendimiento de la Bomba Centrífuga Sumario

44 48 49 51 55 56 58 60 60 61 62 63 64 64 65 68 70

3.1 3.2 3.3 3.4 3.4.1

CAPITULO lll PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO Necesidades de la Empresa Objetivo Requerimientos de Diseño del Cliente Desarrollo de Propuesta Proceso de Fabricación de las Taparroscas

72 72 73 73 74

II

3.4.1.1 3.4.1.2 3.5 3.6 3.7 3.7.1 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15

4.1 4.2

4.3 4.4 4.4.1 4.5 4.6 4.6.1 4.7

Requerimientos Cualitativos y Cuantitativos del Agua para el Proceso Proceso a Enfriar Requerimientos del Equipo Selección de una Unidad Generadora de Agua Helada Selección del Equipo Instalación del Equipo Equipo y Componentes Alimentación Eléctrica Disposiciones de Espacio Manejo y Localización del Equipo Condiciones de Operación Tubería de Líquido para Enfriar Verificación del Sub-enfriamiento y del Sobrecalentamiento Sumario CAPITULO lV DESARROLLO DEL PROYECTO Memoria de Cálculo Normas de Instalación de Sistemas de Rociadores Contra Incendio NFPA 13 STANDARS FOR THE INSTALLATION OF SPRINKLER SYSTEMS Vistas de Diseño Cálculo de Pérdidas de Fricción a un Sistema de Enfriadores a Moldes para Maquinas de Inyección de Plástico Cálculos de la Red Hidráulica Pérdidas en Tramo de Tubería de la Salida de la Bomba a la Entrada del Ramal hacia las Máquinas Selección de la Bomba Selección del Motor Eléctrico Sumario

75 75 75 76 80 82 82 84 86 87 89 89 90 91

93

93 97 100 103 107 108 113 115

III

5.1 5.2 5.3 5.4

CAPITULO V COSTO-BENEFICIO Análisis de Costos Costos Ganancias Punto de Equilibrio

117 119 124 124

CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIA GLOSARIO ANEXOS

126 127 128 129

IV

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Figura 1.2 Figura 1.3 Figura 1.4 Figura 1.5 Figura 1.6 Figura 1.7 Figura 1.8 Figura 1.9 Figura 1.10 Figura 1.11 Figura 1.12 Figura 1.13

Figura 1.14 Figura 1.15 Figura 1.16 Figura 1.17 Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5

4

La unidad de inyección (Fuente: [IV]) a) Sistemas de cierre hidráulico-mecánico con palancas acodabas b) Sistema de cierre hidráulico (Fuente: [IV]) Partes de la unidad de inyección (Fuente: [IV]) Fenómeno de plastificación (Fuente: [IV]) Esquema de un molde comercial prefabricado, al cual sólo le falta la cavidad para la pieza deseada (Fuente: [V]) Cierre del molde e inicio de la inyección (Fuente: [IV]) Inyección del material (Fuente: [IV]) Aplicación de la presión de sostenimiento (Fuente: [IV]) Plastificación del material (Fuente: [IV]) Enfriamiento y extracción de la pieza (Fuente: [IV]) Etapas del ciclo de inyección (Fuente: [IV]) Piezas de LEGO de diferentes colores moldeados por inyección (Fuente: [II]) Flujo de polímero en la cavidad. La viscosidad del polímero aumenta al enfriarse en contacto con las paredes del molde (Fuente: [VII]) Máquina de inyección de plástico Diagrama de bloques del proceso de enfriamiento de plástico Molde y taparrosca con cintillo Husillo típico de laboratorio para polioleofinas (Fuente: [I]) Elemento de fluido en una tubería. (Fuente: Robert L. Mott. Pág. 166) Energía de fluido. (Fuente: Robert L. Mott. Pág. 166) Elemento de fluido utilizado en la ecuación de Bernoulli. (Fuente: Robert L. Mott. Pág. 167) Diagrama de Moody. (Fuente: Robert L. Mott.) Curva H - Q (Fuente: BIMSA S.A. de C.V.)

5 6 6 9 12 13 13 14 14 15 19

21 29 29 30 32 44 45 47 57 69 V

Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 3.7 Figura 3.8 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4 Figura 4.5 Figura 4.6

Proceso de fabricación de tapas de polipropileno (Fuente [VII]) 75 Especificaciones del mini-chiller (Fuente: Manual, Mini-Chiller, 80 York) Diagrama de flujo del refrigerante (Fuente: Manual, Mini-Chiller, 81 York) Dimensiones y conexiones del kit hidráulico (Fuente: Manual, MiniChiller, York) 84 Esquema de interconexión del kit hidráulico (Fuente: Manual, Mini84 Chiller, York) Diagrama de conexión eléctrica de la unidad generadora de agua helada (Fuente: Manual, Mini-Chiller, York) 85 Dimensiones de la unidad generadora de agua helada (Fuente: Manual, Mini-Chiller, York) 87 Esquema de la correcta disposición de espacio para las unidades 88 de enfriamiento (Fuente: Manual, Mini-Chiller, York) Perspectiva típica de entubado de sistemas de rociadores automáticos (Fuente: [VIII]) 95 Cálculo mostrado en los 9 pasos indicándose a partir del primer 96 rociador de la alimentación del agua (Fuente: [VIII] y anexo 2) 97 Vistas de Diseño Bomba tipo BB2 del API-610. Mezcla agua-glicol (Fuente: [VIII] y anexo 2) 108 Bomba: 2X3X11J/2 pasos (Fuente: [VIII] y anexo 2) 112 Motor Eléctrico de 100HP, a Polos con F.S de 1.15 (Fuente: [VIII] y 114 anexo 2)

VI

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1

Tabla 1.2 Tabla 1.3 Tabla 1.4 Tabla 1.5 Tabla 1.6 Tabla 2.1 Tabla 2.2 Tabla 3.1 Tabla 4.1 Tabla 5.1 Tabla 5.2 Tabla 5.3 Tabla 5.4 Tabla 5.5 Tabla 5.6 Tabla 5.7

Valores comunes de contracción en polímeros para inyección (Fuente: Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Ronald R. Askeland) Entradas más comunes (Fuente: [VI]) Datos técnicos de la máquina de inyección Ciclo de producción Soluciones a los problemas más comunes (Fuente: [V]) Características, uso y aplicaciones de los plásticos (Fuente: Informe de Salubridad y Reciclaje) Sistema de unidades estándar para el cálculo de número de Reynolds (Fuente: Robert L. Mott.) Valores de diseño de la rugosidad de tubos (Fuente: Robert L. Mott.) Requerimientos técnicos del cliente Accesorios determinados por cada una de las maquinas (Fuente: ver anexos) Tubería de Cobre (Fuente: ver anexos) Accesorios (Fuente: ver anexos) Accesorios Cédela 40 (Fuente: ver anexos) Equipo de Bombeo (Fuente: ver anexos) Control Eléctrico (Fuente: ver anexos) Materiales (Fuente: ver anexos) Proyecto total.

17 26 28 31 33 37 51 55 73 101 120 121 121 122 122 123 123

VII

RESUMEN El presente proyecto surge de la necesidad de optimizar el aprovechamiento del agua, mejorando el sistema de distribución de la red hidráulica. Se controlará el proceso de abastecimiento de agua utilizando un control de tiempo, que permita reducir costos de mano de obra y tener un consumo eficiente de agua. Las perdidas por fricción provocan que la presión disminuya a lo largo de la tubería e incrementan la potencia que la bomba debe transmitir al fluido, por lo que la selección del equipo de bombeo corresponde otro de los puntos fundamentales para hacer llegar el caudal requerido hacia las plantas consumidoras. El análisis del diseño del tren de succión como el de descarga nos dará, un panorama amplio sobre las condiciones en las cuales operará nuestra bomba, la selección de esta corresponderá de acuerdo al caudal y la carga necesaria de funcionamiento adecuada para la correcta distribución del fluido. ABSTRACT This project arises from the need to optimize water use, improving distribution system water mains. It controls the water supply process using a time control, which reduces labor costs and have an efficient water consumption. The friction losses cause the pressure drop along the pipe and increase the pump power should be transmitted to the fluid, so that the selection of pumping equipment is for one of the key points to deliver the required flow to the consuming plants. VIII

The design review train suction and the discharge will give us a comprehensive picture about the conditions under which we operate pump, the selection of this shall be according to the load flow and required adequate for the proper functioning of the fluid distribution.

IX

OBJETIVO GENERAL Cálculo y selección de una red hidráulica para un equipo de enfriamiento de un sistema industrial de inyección de plástico, esto con el fin de establecer los requisitos técnicos y documentales para el diseño y especificación de los materiales requeridos en dicha red y hacer más eficiente el sistema implementando el control de tiempos determinados para un óptimo funcionamiento.

X

JUSTIFICACIÓN ¿Por qué utilizar un sistema con tantos dispositivos si existen otros más simples? La respuesta es sencilla, es cierto que este tipo de sistema requiere de mucho equipo y de una inversión inicial relativamente alta, pero cuando el mismo entre en operación, el consumo de energía eléctrica será significativamente menor que si hubiera instalado otro tipo de sistema. En esta misma línea se recomienda que para sistemas de capacidades mayores de 150 toneladas de refrigeración, se utilice el sistema de expansión indirecta. Presentar un procedimiento para modelar un sistema de climatización por agua helada con vistas a incrementar la eficiencia y el uso racional de la energía en las instalaciones, aplicando los métodos de inteligencia artificial para el control y el ajuste de la temperatura de agua helada a partir de los requerimientos de la empresa.

XI

INTRODUCCIÓN En el presente trabajo abordaremos los conceptos generales, evolución sobre los plásticos y la tecnología actual para la inyección de plástico, enunciaremos las bases del cálculo y desarrollo del proyecto a partir de fundamentos teóricos y analíticos enfocados en la solución de las diferentes variables. Se explicará ampliamente el por qué del desarrollo del proyecto, así como las características de diseño y las soluciones más factibles para el cumplimiento del mismo. La unidad generadora de agua helada (chiller o sistema todo agua), es una máquina que remueve el calor de un fluido por medio de la compresión del vapor o por el ciclo de absorción de la refrigeración, el líquido utilizado para este proceso es agua o diferentes sustancias tales como el glicol o los inhibidores de corrosión, estos permiten mejores condiciones de funcionamiento del fluido del trabajo. La unidad enfriadora de agua opera mediante el ciclo de refrigeración a base de la compresión de un vapor, y lo que específicamente realiza es extraer el calor de un espacio y rechazarlo posteriormente a otro espacio seleccionado. Para ello cuenta con cuatro 4 componentes básicos y un fluido conocido como refrigerante que circula entre ellos. En el Evaporador se absorbe el calor (para nuestro caso se absorbe calor del agua) y al hacer esto la misma baja su temperatura. Al desarrollar este proceso, el fluido que circula (el refrigerante) se evapora y lo toma el Compresor donde se le eleva la presión y la temperatura, para luego rechazar en el Condensador el calor absorbido a un medio seleccionado, en nuestro caso agua.

XII

Al rechazar el calor el refrigerante se condensa y pasa al dispositivo de control donde se le baja la presión y la temperatura y está listo para absorber calor nuevamente en el evaporador. En la parte exterior de la casa de máquinas se encuentra un equipo que se le conoce con el nombre de Torre de Enfriamiento. La misma es necesaria ya que como hemos indicado anteriormente, el calor que se rechaza en el enfriador lo rechazamos al agua (Ciclo de Condensación).

Existen diversas configuraciones de unidades enfriadoras de agua y cada opción será la más adecuada, dependiendo de diversos factores como las características de la maquinaria en la industria, la disponibilidad y costo del agua, así como las tarifas de energía eléctrica en el lugar de la aplicación. Es importante hacer notar que para que existan todos los procesos de intercambio deben existir los flujos ya sea de agua o de aire según sea el caso.

XIII

Gestión de Procesos La situación económica actual en nuestro país se relaciona con los cambios experimentados en la propiedad, así como las relaciones entre plan y mercado. Un papel importante ha jugado también el perfeccionamiento empresarial, siendo uno de los factores que más ha de llevar al desarrollo futuro del país. Los adelantos tecnológicos producidos en los últimos años han motivado el incremento de la importancia que se le concede al estudio del proceso de fabricación de los productos, y como elemento indispensable la eficacia y productividad en los métodos de estudios del trabajo utilizando coordinadamente los hombres, equipos, materiales, energía e información en conjunto con el medio ambiente. Debido a la creciente competencia en el mercado mundial las empresas se ven obligadas a incrementar la calidad y a realizar un amplio estudio en la preparación, ejecución y venta de la producción, con el objetivo de optimizar y aprovechar al máximo cada proceso, elaborando productos que sean capaces de competir al más alto nivel en un mercado cada vez más globalizado. La planta trabaja para un escenario tendencial en el cual la demanda en el mercado tendrá una vertiginosa expansión relacionada con el auge económico del país y el surgimiento y expansión de nuevos usos de los plásticos que desplazan a otros materiales más costosos y menos confortables y duraderos, conllevando a un aumento del número de clientes y proveedores, los primeros cada vez más exigentes y los segundos cada vez más confiables, teniendo lugar un incremento del número de competidores dado lo atractivo del sector y su fácil acceso de entrada. Además de taparroscas la planta produce otros envases plásticos, jaulas de pollos, guacal de cerveza, paneles de luces, celdas de botellas y productos de alta demanda.

XIV

CAPÍTULO l

GENERALIDADES DEL PROYECTO

[Escribir el nombre del autor] [Escribir el nombre de la compañía]

Generalidades del Proyecto

CÁPITULO l. GENERALIDADES DEL PROYECTO 1.1 Antecedentes Históricos El diseño actual de la máquina de moldeo por inyección ha sido influido por la demanda de productos con diferentes características geométricas, con diferentes polímeros involucrados y colores. Además, su diseño se ha modificado de manera que las piezas moldeadas tengan un menor costo de producción, lo cual exige rapidez de inyección, bajas temperaturas, y un ciclo de moldeo corto y preciso. John Hyatt registró en 1872 la primera patente de una máquina de inyección, la cual consistía en un pistón que contenía en la cámara derivados celulósicos fundidos. Sin embargo, se atribuye a la compañía alemana Cellon-Werkw el haber sido pionera de la máquina de inyección moderna. Esta firma presentó, en 1928, una patente incluyendo la descripción de nitrocelulosa (celuloide). Debido al carácter inflamable de la nitrocelulosa, se utilizaron posteriormente otros derivados celulósicos como el etanoato de celulosa. Los británicos John Beard y Peter Delafield, debido a ciertas diferencias en la traducción de la patente alemana, desarrollaron paralelamente la misma técnica en Inglaterra, con los derechos de patente inglesa para la compañía F.A. Hughes Ltd. El primer artículo de producción masiva en Inglaterra fue la pluma fuente, producida durante los años treinta por la compañía Mentmore Manufacturing. La misma utilizaba máquinas de moldeo por inyección de Eckert & Ziegler (Alemania). Estas máquinas funcionaban originalmente con aire comprimido

୩୥

(aproximadamente a una presión de 31 ୡ୫మ); el sistema de apertura de molde y la

extracción de la pieza eran realizados manualmente, y los controles incluían válvulas manuales, sin control automático ni pantallas digitales; además, carecían de sistemas de seguridad. -2-


En 1932 apareció la primera máquina para inyección operada con sistemas eléctricos, desarrollada por la compañía Eckert & Ziegler. Al mismo tiempo, otros países como Suiza e Italia empezaban a conseguir importantes avances en maquinaria. Ya a finales de los años treinta, el polietileno y el PVC —ambos, de alta producción y bajo costo— provocaron una revolución en el desarrollo de la maquinaría, teniendo el PVC mayor éxito como material para extrusión. Al finalizar la segunda guerra mundial, la industria de la inyección de plástico experimentó un crecimiento comercial sostenido. En 1951 se desarrolló en Estados Unidos la primera máquina de inyección con un tornillo reciprocante (o, simplemente, husillo), aunque no fue patentada hasta 1956. Este cambio ha sido la aportación más importante en la historia de las máquinas inyectoras. Sin embargo, a partir de la década de los ochenta, las mejoras se han enfocado a la eficiencia del diseño, del flujo del polímero, el uso de sistemas de software CAD, inclusión de robots más rápidos para extracción de piezas, inyección asistida por computadora, eficacia en el control de calentamiento y mejoras en el control de la calidad del producto. 1.2 El Principio del Moldeo en Plástico El moldeo por inyección es una de las tecnologías de procesamiento de plástico más famosas, ya que representa un modo relativamente simple de fabricar componentes con formas geométricas de alta complejidad. Para ello se necesita una máquina de inyección que incluya un molde. En este último, se fabrica una cavidad cuya forma y tamaño son idénticos a las de la pieza que se desea obtener. La cavidad se llena con plástico fundido, el cual se solidifica, manteniendo la forma moldeada. Los polímeros conservan su forma tridimensional cuando son enfriados por debajo de su Tg y, por tanto, también de su temperatura de fusión para polímeros semicristalinos. Los polímeros amorfos, cuya temperatura útil es inferior a su Tg, -3-


se encuentran en un estado termodinámico de pseudoequilibrio. En ese estado, los movimientos de rotación y de relajación (desenredo de las cadenas) del polímero están altamente impedidos. Es por esta causa que, en ausencia de esfuerzos, se retiene la forma tridimensional. Los polímeros semicristalinos poseen, además, la característica de formar cristales. Estos cristales proporcionan estabilidad dimensional a la molécula, la cual también es -en la región cristalinatermodinámicamente estable. La entropía de las moléculas del plástico disminuye drásticamente debido al orden de las moléculas en los cristales. 1.3 Máquina de Inyección de Plástico Una máquina inyectora es un equipo capaz de plastificar el material polimérico y bombearlo hacia un molde en donde llena una cavidad y adquiere la forma del producto deseado. Una inyectora se compone de cuatro unidades principales: 1. 2. 3. 4.

La unidad de cierre La unidad de inyección La unidad de potencia La unidad de control

Figura 1.1 La unidad de inyección (Fuente: [IV]) -4-


Unidad de Cierre Consiste de una prensa conformada por dos placas portamoldes, una móvil y otra fija. El sistema de accionamiento de la placa móvil puede ser un mecanismo de palancas acodadas, accionado hidráulicamente, un cilindro hidráulico o un sistema eléctrico de tornillo sin fin accionado por un motor. El parámetro fundamental para dimensionar una unidad de cierre es su fuerza para mantener el molde cerrado. Usualmente se da este valor en toneladas (ton). Otros parámetros importantes en una unidad de cierre son: la distancia mínima entre placas, la distancia máxima de apertura, las dimensiones de las placas y la distancia entre columnas, la carrera del sistema de expulsión. Estos datos se utilizan para dimensionar los moldes.

Figura 1.2 a) Sistemas de cierre hidráulico-mecánico con palancas acodabas

b) Sistema de cierre hidráulico (Fuente: [IV])

Unidad de Inyección La unidad de inyección está conformada por el tornillo y el barril de inyección, la boquilla y las resistencias alrededor del barril. El material sólido ingresa por la tolva a la zona de alimentación del tornillo, en esta zona es transportado, por efecto de la rotación del tornillo dentro del barril, hacia la zona de fusión donde se plastifica; finalmente el material es bombeado hacia la parte delantera del tornillo en la zona de dosificación. Durante el proceso de plastificación del material el tornillo gira constantemente. Cuando se va a realizar la inyección hacia el molde,

-5-


el tornillo deja de girar y actúa a manera de pistón, haciendo fluir el plástico fundido hacia el molde y llenando las cavidades.

Figura 1.3 Partes de la unidad de inyección (Fuente: [IV])

Es bien sabido que la conductividad térmica de los plásticos es muy inferior a la de los metales, por lo que su procesamiento debe hacerse en capas delgadas para que la transferencia de calor sea lo más rápida posible y sostenible económicamente. Esto se logra aprovechando el fenómeno de plastificación, que consiste en la fusión de la capa de material directamente en contacto con la superficie del barril, la cual transmite el calor, por convección forzada, al material sólido en las capas inferiores hasta que se plastifica completamente la masa de material.

Figura 1.4 Fenómeno de plastificación (Fuente: [IV])

En las inyectoras comerciales aproximadamente un 50% del calor requerido para fundir el material lo aporta la fricción viscosa, generada por el giro del tornillo con respecto al barril, y el otro 50% lo aportan las resistencias eléctricas.

-6-


La Unidad de Potencia de la Máquina de Inyección Es el sistema que suministra la potencia necesaria para el funcionamiento de la unidad de inyección y de la unidad de cierre. Los principales tipos de sistemas de potencia se pueden clasificar como: 1. Sistema de motor eléctrico con unidad reductora de engranajes. 2. Sistema de motor hidráulico con unidad reductora de engranajes. 3. Sistema hidráulico directo. Sistema de potencia eléctrico: El sistema eléctrico se utiliza generalmente en máquinas relativamente pequeñas. Este sistema se emplea tanto para el giro del tornillo como para la apertura y cierre del molde. La máquina emplea dos sistemas mecánicos de engranajes y palancas acodadas, uno para el cierre del molde y otro para el tornillo. Cada uno accionado por un motor eléctrico independiente. El accionamiento del tornillo cuando realiza la inyección lo ejecuta un cilindro hidráulico. En los sistemas con motor eléctrico, la velocidad puede ajustarse sólo en un determinado número de valores, lo cual puede ocasionar problemas en la reproducción de parámetros de operación y dificultar la obtención de piezas con una calidad constante. Los motores eléctricos generan grandes torques de arranque, por lo que debe tenerse precaución al usar tornillos con diámetros pequeños para evitar que se rompan. Sistema de potencia hidráulico: Los motores hidráulicos son los más comúnmente utilizados, su funcionamiento se basa en la transformación de la potencia hidráulica del fluido en potencia mecánica. A diferencia de los sistemas electromecánicos, donde la potencia es transmitida a través de engranajes y palancas, en un sistema con fluidos estos elementos se sustituyen, parcial o totalmente, por tuberías de conducción que llevan el fluido a presión a los pistones de inyección y de cierre del molde. El fluido que más se utiliza es el aceite debido, principalmente, a sus propiedades lubricantes en aplicaciones que involucran grandes cargas. En los sistemas hidráulicos es común utilizar presiones que -7-


varían entre los 70 y 140 kg/cm2. Las ventajas del motor hidráulico con respecto al eléctrico pueden resumirse principalmente en: •

•

•

•

Fácil variación de velocidades, regulando el volumen de fluido. La relación entre el torque y la velocidad es aproximadamente lineal. El límite de torque se determina por la presión limitante y el torque de arranque es aproximadamente igual al de funcionamiento. Permite arranques y paradas rápidos debido al pequeño momento de inercia. Permite relaciones bajas de peso potencia, lo que posibilita alcanzar altas velocidades de inyección del material.

La Unidad de Control Este sistema básicamente contiene un controlador lógico programable (PLC) y controladores PID para las resistencias eléctricas del barril y de la boquilla. El PLC permite programar la secuencia del ciclo de inyección y recibe señales de alarma, por sobrepresión o finales de carrera, para detener el ciclo. Los controladores PID son los más adecuados para el control de temperatura debido a su elevada velocidad de respuesta para mantener la temperatura a los niveles requeridos.

-8-


1.3.1 Molde

Figura 1.5 Esquema de un molde comercial prefabricado, al cual sólo le falt la cavidad para la

pieza deseada (Fuente: [V])

El molde (también llamado herramienta) es la parte más importante de la máquina de inyección, ya que e el espacio donde se genera la pieza; para producir un producto diferente, si plemente se cambia el molde, al ser una pieza intercambiable que se atornilla en la unidad de cierre. xisten dos tipos importantes de molde, uno en la que inyecta plástico y otra n la que inyecta metal. Las partes del molde so : •

•

•

Cavidad: es el volumen en el cual la pieza será moldeada. Canales o duct s: son conductos a través de los c ales el polímero fundido fluye debido a la presión de inyección. El canal de alimentación se llena a través de la boquilla, los siguientes canales son los denominados bebederos y final ente se encuentra la compuerta. Canales de enfr amiento: Son canales por los cuales circula refrigerante (el más común a ua) para regular la temperatura del mo lde. Su diseño es complejo y espe ífico para cada pieza y molde, esto en vista de que la refrigeración deb ser lo más homogénea posible en toda la cavidad y en la -9-


parte fija como en la parte móvil, esto con el fin de evitar los efectos de contracción. Cabe destacar que al momento de realizar el diseño de un molde, el sistema de refrigeración es lo último que se debe diseñar. •

Barras expulsoras: al abrir el molde, estas barras expulsan la pieza moldeada fuera de la cavidad, pudiendo a veces contar con la ayuda de un robot para realizar esta operación.

1.3.2 Moldeo por Inyección En ingeniería, el moldeo por inyección es un proceso semicontinuo que consiste en inyectar un polímero o cerámico en estado fundido (o ahulado) en un molde cerrado a presión y frío, a través de un orificio pequeño llamado compuerta. En ese molde el material se solidifica, comenzando a cristalizar en polímeros semicristalinos. La pieza o parte final se obtiene al abrir el molde y sacar de la cavidad la pieza moldeada. El moldeo por inyección es una técnica muy popular para la fabricación de artículos muy diferentes. Sólo en los Estados Unidos, la industria del plástico ha crecido a una tasa de 12% anual durante los últimos 25 años, y el principal proceso de transformación de plástico es el moldeo por inyección, seguido del de extrusión. Un ejemplo de productos fabricados por esta técnica son los famosos bloques interconectables LEGO y juguetes Playmobil, así como una gran cantidad de componentes de automóviles, componentes para aviones y naves espaciales. Los polímeros han logrado sustituir otros materiales como son madera, metales, fibras naturales, cerámicas y hasta piedras preciosas; el moldeo por inyección es un proceso ambientalmente más favorable comparado con la fabricación de papel, la tala de árboles o cromados. Ya que no contamina el ambiente de forma directa, no emite gases ni desechos acuosos, con bajos niveles de ruido. Sin embargo, no todos los plásticos pueden ser reciclados y algunos susceptibles de ser reciclados son depositados en el ambiente, causando daños al medio ambiente. - 10 -


La popularidad de este método se explica con la versatilidad de piezas que pueden fabricarse, la rapidez de fabricación, el diseño escalable desde procesos de prototipos rápidos, altos niveles de producción y bajos costos, alta o baja automatización según el costo de la pieza, geometrías muy complicadas que serían imposibles por otras técnicas, las piezas moldeadas requieren muy poco o nulo acabado pues son terminadas con la rugosidad de superficie deseada, color y transparencia u opacidad, buena tolerancia dimensional de piezas moldeadas con o sin insertos y con diferentes colores. 1.4 Control de Parámetros Las principales características utilizadas para dimensionar y comparar máquinas inyectoras son: Capacidad o fuerza de cierre: usualmente se da en toneladas (ton) Capacidad de inyección: es el volumen de material que es capaz de suministrar la máquina en una inyección (cm 3 /inyección). Es común dar este valor en gramos, tomando como referencia la densidad del poliestireno. Presión de inyección: es la presión máxima a la que puede bombear la unidad de inyección el material hacia el molde. Usualmente se trabaja a un 60% de esta presión o menos. Capacidad de plastificación: es la cantidad máxima de material que es capaz de suministrar el tornillo, por hora, cuando plastifica el material; se da en kg/h. Velocidad de inyección: es la velocidad máxima a la cual puede suministrar la unidad de inyección el material hacia el molde; se da en cm3 /s. •

•

•

•

•

1.4.1 Ciclo de Moldeo En el ciclo de moldeo se distinguen 6 pasos principales (aunque algunos autores llegan a distinguir hasta 9 pasos): - 11 -


1. Molde cerrado y vacío. La unidad de inyección carga material y se llena de polímero fundido. 2. Se inyecta el polímero abriéndose la válvula y, con el husillo que actúa como un pistón, se hace pasar el material a través de la boquilla hacia las cavidades del molde. 3. La presión se mantiene constante para lograr que la pieza tenga las dimensiones adecuadas, pues al enfriarse tiende a contraerse. 4. La presión se elimina. La válvula se cierra y el husillo gira para cargar material; al girar también retrocede. 5. La pieza en el molde termina de enfriarse (este tiempo es el más caro pues es largo e interrumpe el proceso continuo), la prensa libera la presión y el molde se abre; las barras expulsan la parte moldeada fuera de la cavidad. 6. La unidad de cierre vuelve a cerrar el molde y el ciclo puede reiniciarse. 1.4.2 Ciclo de Inyección El ciclo de inyección se puede dividir en las seis siguientes etapas: 1. Se cierra el molde vacío, mientras se tiene lista la cantidad de material fundido para inyectar dentro del barril. El molde se cierra en tres pasos: primero con alta velocidad y baja presión, luego se disminuye la velocidad y se mantiene la baja presión hasta que las dos partes del molde hacen contacto, finalmente se aplica la presión necesaria para alcanzar la fuerza de cierre requerida.

Figura 1.6 Cierre del molde e inicio de la inyección (Fuente: [IV])

- 12 -


2. El tornillo inyecta el material, actuando como pistón, sin girar, forzando el material a pasar a través de la boquilla hacia las cavidades del molde con una determinada presión de inyección.

Figura 1.7 Inyección del material (Fuente: [IV])

3. Al terminar de inyectar el material, se mantiene el tornillo adelante aplicando una presión de sostenimiento antes de que se solidifique, con el fin de contrarrestar la contracción de la pieza durante el enfriamiento. La presión de sostenimiento, usualmente, es menor que la de inyección y se mantiene hasta que la pieza comienza a solidificarse.

Figura 1.8 Aplicación de la presión de sostenimiento (Fuente: [IV])

4. El tornillo gira haciendo circular los gránulos de plástico desde la tolva y plastificándolos. El material fundido es suministrado hacia la parte delantera del tornillo, donde se desarrolla una presión contra la boquilla cerrada, obligando al tornillo a retroceder hasta que se acumula el material requerido para la inyección.

- 13 -


Figura 1.9 Plastificación del material (Fuente: [IV])

5. El material dentro del molde se continúa enfriando en donde el calor es disipado por el fluido refrigerante. Una vez terminado el tiempo de enfriamiento, la parte móvil del molde se abre y la pieza es extraída.

Figura 1.10 Enfriamiento y extracción de la pieza (Fuente: [IV])

6. El molde cierra y se reinicia el ciclo. En cuanto al consumo de potencia en cada una de las etapas del ciclo, se observa que en el cierre del molde apenas se requiere la potencia necesaria para vencer la fricción generada al desplazar la placa móvil. La etapa de inyección necesita la potencia máxima durante un período muy corto. El desplazamiento de la unidad de inyección y la apertura del molde requieren muy poca potencia. En el siguiente diagrama se esquematiza el consumo de potencia durante el ciclo de inyección.

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Figura 1.11 Etapas del ciclo de inyección (Fuente: [IV])

1.4.3 PVT (Relaciones de presión-volumen-temperatura) En cualquier polímero, las relaciones entre presión, volumen y temperatura son muy importantes para obtener un proceso de inyección eficiente, ya que el volumen específico de un polímero aumenta al ascender la temperatura del mismo. Entre estas dos dimensiones se presentan curvas isobáricas por las cuales se guía el polímero. El comportamiento de los polímeros amorfos y semicristalinos en el paso de enfriamiento es muy diferente, lo que debe ser tenido en cuenta si se quiere obtener una pieza de alta calidad. Para diseño de equipo de proceso es necesario conocer las relaciones de PVT de los polímeros que se utilizarán, en su forma final, es decir aditivados. A continuación se mencionan los parámetros más comunes para el inicio de las relaciones de PVT, basados en la ecuación de Flory:

ൌ ௏ଵ ቀడ௏డ்ቁ

Donde:

ൌ ൌ

ó

,

ൌ െ ௏ଵ ቀడ௏డቁ்

é

é

Y una ecuación empírica es: - 15 -


Cuando:

ିଵ 1 ሺ , ሻ ൌ ቊሺ ൅ ሻ ൤0.0894 െ ൬1൅ ൰൨ ቋ ଼଴ଽହ ൌ 0, ሺ0, ሻ ൌ ଴.஻ሺ்ሻ

Las relaciones de PVT se utilizan en ingeniería de polímeros para lograr un sistema técnico que, basado en la teoría molecular, proporcione datos aplicados a los polímeros en estado fundido en un amplio rango de presión y temperatura. Esto se logra con datos empíricos concretos y limitados. Para determinar estas relaciones existen otras ecuaciones como la de Simha-Somcynsky, el modelo para fluidos de Sánchez y Lacombe y por supuesto, la ecuación de mayor éxito, la ecuación de Flory (Flory-Orwoll-Vrij). 1.5 Cristalización y Deformación de la Pieza al Enfriarse (Contracción) Debe tenerse en cuenta que la razón de este fenómeno se debe al cambio de densidad del material, que sigue un propio comportamiento fisicoquímico, particular para cada polímero, y que puede ser isótropo o anisótropo. De acuerdo con las relaciones de PVT anteriores, se infiere que la parte moldeada sufrirá una contracción, presentando cada polímero diferentes tipos de contracción; sin embargo, puede decirse que, en general, siguen las mismas ecuaciones para contracción isótropa:

ൌ െ ൌ 1െ ൌ െ ൌ 1െ ൎ3 

Donde:

ൌ ൌ ൌ

ó

é - 16 -




ൌ ൌ

ó

ൌ

Los polímeros semicristalinos modificarán más su tamaño dependiendo de la temperatura en la cual se les permita cristalizar. Las cadenas que forman esferulitas y lamelas ocupan menos espacio (mayor densidad) que las cadenas en estado amorfo. Por ello, el grado de cristalinidad afecta directamente a la densidad final de la pieza. La temperatura del molde y el enfriamiento deben ser los adecuados para obtener partes de calidad. A continuación se enumeran algunos valores comunes de contracción en polímeros para inyección (para diseño de moldes es conveniente solicitar una hoja de parámetros técnicos del proveedor de polímeros para obtener un rango específico). Tabla 1.1 Valores comunes de contracción en polímeros para inyección (Fuente: Ciencia e

Ingeniería de los Materiales, Ronald R. Askeland)

TERMOPLÁSTICO

CONTRACCIÓN (%)

Acrilonitrilo butadieno estireno

0,4 – 0,8

Poliacetal

0,1 – 2,3

Polimetilmetacrilato (PMMA)

0,2 – 0,7

Acetato de celulosa Nylon 6,6 Policarbonato

0,5 1,4 – 1,6 0,6

- 17 -


Polietileno de baja densidad

4,0 – 4,5

Polipropileno

1,3 – 1,6

Poliestireno

0,4 – 0,7

PVC rígido

0,6 – 1,2

PVC plastificado

1,0 – 4,5

1.6 Colada fría y Caliente Existen dos tipos de colada. La colada fría es el remanente de polímero solidificado que queda en los canales, y que es necesario cortar de la pieza final. La colada caliente mantiene al polímero en estado fundido para continuar con la inyección. Con esta técnica se ahorra una considerable cantidad de plástico. Pero algunas de las desventajas la convierten en una técnica poco popular: los pigmentos deben tener mayor resistencia a la temperatura, el polímero aumenta su historia térmica, el molde debe ser diseñado especialmente para esto, pueden haber fluctuaciones en el ciclo de moldeo, etc. 1.7 Coloración de la Pieza La coloración de las partes a moldear es un paso crítico, puesto que la belleza de la parte, la identificación y las funciones ópticas dependen de este proceso. Básicamente existen tres formas de colorear una parte en los procesos de inyección: 1. Utilizar plástico del color que se necesita (precoloreados). 2. Utilizar un plástico de color natural y mezclarlo con pigmento en polvo o colorante líquido. 3. Utilizar un plástico de color natural y mezclarlo con concentrado de color. - 18 -


Figura 1.12 Piezas de LEGO de diferentes colores moldeados por inyección (Fuente: [II])

La elección más barata y eficiente es el uso del concentrado de color (en inglés Masterbatch), el cual se diseña con características de índice de fluidez y viscosidad acordes al polímero que se desea procesar. Con los concentrados de color se puede cambiar de un color a otro de manera rápida, sencilla y limpia. Los pigmentos en polvo presentan mayores problemas de coloración que los concentrados de color y estos más que los precoloreados; sin embargo, los precoloreados son los más caros y presentan una historia térmica mayor. Los problemas de procesamiento más comunes con relación al color de una pieza son: líneas de color más o menos intenso, puntos negros, ráfagas, y piel de naranja. Los colores pueden ser cualquiera opaco, si el polímero es transparente, se permiten colores translúcidos. Es importante que el proveedor de los concentrados de color sea consciente de la aplicación final de la parte, para utilizar pigmentos o colorantes que no migren a la superficie. En polioleofinas no debe utilizarse colorantes porque migran, un error muy común en la industria ya que son baratos, si bien este ahorro merma la calidad de la parte y puede resultar en una reclamación por parte del cliente.

- 19 -


Los colores finales en la parte pueden ser translúcidos, sólidos, pasteles, metálicos, perlados, fosforescentes, fluorescentes, etc. Sin embargo, polímeros como el ABS son más difíciles de colorear que el polietileno, por su alta temperatura de proceso y su color amarillento. Un experto en diseño de un color ha de poseer una habilidad visual impresionante, puesto que sus ojos están entrenados para reconocer colores con diferencias mínimas, lo cual requiere una habilidad natural y amplia experiencia. Debe tomarse en cuenta también la teoría del color, ya que los pigmentos son substractivos y la luz es aditiva; además, si como color objetivo se tiene una pieza de metal, vidrio, líquido, papel o polímero diferente al polímero final, es posible que bajo diferente luz sea igual o distinto el color final del objetivo. Por ello debe decidirse cuál será la luz bajo la cual los colores deben ser observados. Para personas que no son expertas en identificación de color, son muy útiles los colorímetros, aunque su grado de confianza no llega al 100%. Una persona no entrenada puede ver dos colores diferentes como iguales y dos iguales como diferentes, debido a errores en el ángulo con respecto a la incidencia de la luz, distancia entre uno y otro objetivo, luz ambiental, etc. 1.8 Temperatura de Proceso Para inyectar un polímero, específicamente un termoplástico, es necesario conocer su temperatura de transición vítrea (Tg) y su temperatura de fusión de la región cristalina (Tm), si es un polímero semicristalino. La temperatura de operación de cada termoplástico no es estándar, y varía según el proveedor. Es por tanto necesario solicitarle una Hoja de Especificaciones donde se encuentre tanto el índice de fluidez como la temperatura de trabajo, que además es un rango de temperaturas, y la temperatura de degradación, con lo cual se obtiene un intervalo dentro del cual se puede trabajar el material eficientemente. - 20 -


1.9 Flujo y diseño de fl jo

Figura 1.13 Flujo de polím ro en la cavidad. La viscosidad del polímero au enta al enfriarse en

contacto con las paredes del molde (Fuente: [VII])

Los polímeros son mat riales cuyas viscosidades son muy altas, por lo que su flujo es lento y complicado. La razón de esto es que son cade as muy largas de unidades más simples, causa de lo cual los polímeros present n una orientación con respecto al esfuer o cortante al que han sido sometido . En general, es conveniente eliminar lo ás posible la orientación de las moléculas, propiedad que se contrapone a la rapi ez de moldeo (y por tanto al costo). in embargo, si el estrés debido a una orientación extremadamente alta no se libera, la pieza se deformará al enfriarse o al calentar el material en su aplicación. El polímero entra en el molde y se va acumulando desde el unto de entrada, arrastrándose por las paredes y empujando el polímero en el ce ntro. Cuando este toca las paredes del m lde, comienza a enfriarse y solidificars . Esto ocurre con cierta baja orientación,, pero cuando se va llenando la c vidad en capas posteriores lejanas a l pared del molde, la orientación se incrementa y un inadecuado enfriamient congela los estreses generados, siguiendo un perfil de velocidades semejante l del flujo parabólico en un tubo. El flujo de un polímero a través de una cavidad rectangular e puede estudiar utilizando condiciones isotérmicas, o con el molde a temperatur s menores que la Tg del polímero a estudiar. Para los experimentos en condicion s isotérmicas, se observa que el tipo de polímero no modifica el flujo, que man tiene un perfil de - 21 -


velocidades constante, con un flujo radial después de la compuerta hasta llenar las esquinas. Después, el flujo se aproxima a un flujo tapón, perdiendo movilidad en las zonas de contacto con la pared fría. El flujo de cada polímero es estudiado por la reología. Una aproximación al estudio del flujo de polímeros en el llenado de un molde es la ecuación de Hagen y Poiseuille, la cual considera parámetros en el régimen laminar. Esta ecuación, despejada para la viscosidad del material es:

ସ

∆

ൌ 8 ൌ 42 ൌ ሶ ଷ Donde:

∆

ൌ ൌ ൌ ൌ

í

ó

∆

ൌ ൌ ሶ ൌ

é

Para el diseño de los canales en el molde, se observa de la ecuación anterior que la velocidad de corte y la viscosidad se ven afectadas por el diseño del radio del canal. Si el flujo volumétrico y la caída de presión se mantienen constantes, en condiciones isotérmicas entre los ciclos de moldeo, la viscosidad permanece constante y por lo tanto se espera que la calidad de la pieza moldeada sea constante. En la práctica, los ingenieros toman en cuenta que los polímeros son fluidos no newtonianos (particularmente son materiales viscoelásticos). Por lo tanto, se deberán hacer correcciones a la fórmula anterior dependiendo de para qué plástico se realizará el molde. También se utilizan "curvas de viscosidad", que

ሶ

grafican frente a .

- 22 -


Un parámetro importante en el flujo incluye la temperatura; otra buena aproximación a polímeros obedece a la ecuación de Arrhenius:

ൌ ॶ ି்

Donde:

ॶൌ ൌ ൌ ൌ

í

í

ó

8.314

ିଵ

ିଵ

ó

1.9.1 Ventilación y Presión Conforme el polímero avanza desde la entrada o tolva, va reduciendo el tamaño de sus gránulos por medios tanto mecánicos (fricción, compresión y arrastres) como térmicos (aumento en su temperatura interna), llegando al estado gomoso o fusión, dependiendo de si el material es amorfo o semicristalino. Conforme este material avanza, el aire presente experimenta un aumento de presión y generalmente escapa en dirección opuesta al avance del polímero. Si esto no ocurre, entonces es necesario abrir una compuerta de ventilación, igualándose de esta manera la presión generada a la presión atmosférica. Debido a las propiedades de viscosidad y de arrastre del polímero, sólo escapa mediante la ventilación una parte mínima de plástico. El error más común con la ventilación es el añadir aditivos espumantes desde la tolva. Los espumantes generan gas, aire o agua que queda atrapado en células abiertas o cerradas del polímero. No obstante, si la presión disminuye a presión atmosférica, este gas generado escapa, resultando así un polímero sin espumar. Para una eficiente alimentación del espumante, éste debe ser añadido después de la ventilación o eliminar el mismo.

- 23 -


1.9.2 Técnicas Modernas Algunas de las técnicas modernas incluyen la inyección de multicomponentes, es decir, una pieza que contiene dos polímeros unidos entre sí o un polímero con diferentes colores y aditivos separados en capas. En esta técnica es posible inyectar dos polímeros en la misma pieza. Existen dos métodos para lograr esto: uno es con dos unidades de inyección, y otro con una unidad de inyección compuesta. Un polímero queda inmerso en el otro, o un color queda inmerso en el otro, ahorrando así costos: esta técnica es llamada inyección emparedado o sándwich. Otra posibilidad es inyectar con agentes formadores de celdas o espumantes que reducen la densidad de la pieza moldeada. La inyección puede contener injertos metálicos, cerámicos o plásticos. Estos son colocados manual o automáticamente en el molde, sobre el cual es inyectado el polímero que, por medios geométricos, evita su separación al enfriarse. En el moldeo con reacción química no se usa el extrusor, sino más bien componentes líquidos que se van administrando. Estas resinas pueden estar activadas o activarse al unir los diferentes fluidos. Un ejemplo típico de polímero inyectado por este proceso es el poliuretano y la poliurea. Generalmente, las temperaturas en este proceso son mucho más bajas que las temperaturas de la inyección con husillo. La inyección de hule y de termoestables consiste en un proceso que incluye la inyección con todos los ingredientes necesarios para el curado o vulcanizado, pero a temperaturas bajas en el cañón. Éste debe provocar poca fricción en el material para evitar el sobrecalentamiento y reacción prematura, cambiando así la cinética de reacción deseada. La reacción termina precisamente en el molde, el cual no es necesario enfriar.

- 24 -


La inyección con equipo moderno de polímeros semiconductores y de polímeros conductores requiere mucho menos cuidado que en el proceso de semiconductores tradicionales de silicio y germanio. El cuarto limpio no es necesario y el proceso se puede llevar a cabo con un cuidado semejante al de inyección de equipo médico. La inyección de materiales compuestos como madera, plástico o fibras naturales con polímero, fibra de carbón y nano partículas tienen una problemática particular, debido a que el husillo tiende a romper, cortar o aglomerar las partículas, por lo que presentan un doble reto: por una parte deben ser dispersadas y distribuidas (como cualquier pigmento), a la vez que deben permanecer lo más estables posible. Las nanopartículas generalmente forman aglomerados, que reflejan una pérdida de propiedades mecánicas y no un aumento, ya que el estrés es función directa del área de la unión partícula-polímero. 1.9.3 Entradas Las funciones concretas de una entrada son simples: sirven para ayudar a que el polímero solidifique pronto cuando la inyección concluye, y para separar fácilmente los remanentes de inyección de la pieza final. Muchas veces elimina la necesidad de cortar o desbastar este sobrante y acelerar el flujo de material fundido, que se refleja en una menor viscosidad y mayor rapidez de inyección. Para garantizar el buen funcionamiento de un polímero inyectado, es imprescindible tener en cuenta los fenómenos de transporte y particularmente el flujo del polímero. No se habla de moléculas o iones como los metales fundidos, sino de largas cadenas de macromoléculas en estado gomoso. Las entradas son así diseñadas para mejorar el flujo y para permitir un orden distributivo del mismo.

- 25 -

Generalidades del Proyecto Ta la 1.2 Entradas más comunes (Fuente: [VI])

TIPO DE ENTRADA

ESQUEMA

CARACTERÍSTICA

Entrada de canal

(sin esquema)

Alimentan de manera directa desde la cavidad.

Entrada cónica

Alimentan el polímero permitiendo una ligera relajación de esfuerzos.

Entrada puntiforme

Se llenan desde los bebederos; comúnmente usadas en moldes de tres placas, permiten altas velocidades y se llenan con facilidad; p eden eliminarse sin dificultad de la piez a moldeada.

Entrada lateral

Alimentan desde un lado del molde; comúnmente utilizada para impresión múltiple.

Entrada anular

Se usan para molde r partes huecas ya que su flujo s previamente modificado a la forma inal.

Entrada de diafragma

Similares a las co puertas anular, pero distribuyen el material fundido desde el canal de alimentación.

Entrada de abanico

Sirven para cubrir áreas grandes o largas de manera homogénea y distributivamente correcta.

Entrada de lengüeta

Estas compuertas mi imizan el efecto - 26 -


de jet y ayudan a lograr un flujo de régimen laminar cu o número de Reynolds es adecuado para la inyección.

Entrada de cinta o laminar

Sirven para moldear homogéneamente áreas planas y delgad s, sobre todo en productos translúcidos y transparentes como objetivos de policarbonato, láminas de PMMA y dispositivos ópticos de medición, a que minimiza las aberraciones cro áticas y ópticas debidas a ondas form das por flujo en régimen turbulento.

Estas entradas se utilizan en el diseño de molde prefere temente bajo la experiencia y el diseñ por computadora, con programas como Moldflow que simulan el flujo de polím ros en el molde. 1.10 Características Plástico

Requerimientos de la Máquina

e Inyección de

En el mercado industri l existen diversas marcas de máquina de inyección de plástico, entre las cuales están: •

CINCINNATI

•

CHEN-HSONG

•

DEMAG

•

NEGRI BOSSI

•

SUMITOMO

•

TOYO - 27 -


•

VAN DORN

La selección de la maquina se baso en 3 puntos importantes: •

Los requerimientos del cliente

•

El precio

•

La confiabilidad que ofrece la marca de la máquina

Chen De se fundó en 1987. Actualmente pertenece al grupo Chen Hsong, uno de los grandes fabricantes de máquinas de inyección de plástico en todo el mundo. Sus magnitudes, desde la perspectiva europea, son sorprendentes. Localizada en Shunde, provincia de Guandong y con una fabricación de aproximadamente 12.000 máquinas al año, Chen De ofrece una completa línea de máquinas precisas y automáticas con un volumen de inyección desde 113gr. hasta 20000gr. En España trabaja de la mano de Fultech, una empresa que combina la venta de inyectoras con el desarrollo de tecnología propia y la integración entre ambas. La supervisión y asesoramiento técnico que la ingeniería Fultech realiza desde su sede en China sobre el diseño y fabricación de las máquinas de inyección Chen De es fundamental para asentar las bases de una máquina competitiva que incorpora como equipamiento estándar elementos de tanta importancia como la bomba de caudal variable (ahorro energético y menor degradación del aceite), filtros 3R o el control electrónico UT NC-4000. Este último ha sido diseñado y fabricado por nosotros mismos e incorpora tecnología inalámbrica “bluetooth”, sistema de visión artificial para seguro de molde, etc. Tabla 1.3 Datos técnicos de la máquina de inyección

M QUINA DE INYECCI N DE PL STICO Marca

CHEN-HSONG

Modelo

JM168 MK lll

Toneladas

168 - 28 -


Distancia entre Barras

45.5cm X 40.5cm

Inyecta

hasta 220grs

Año

1993

HP

20

Disponibilidad

10 máquinas

Requeridos para el Enfriamiento

3gpm

Figura 1.14 Máquina de inyeccion de plastico

Figura 1.15 Diagrama de bloques del proceso de enfriamiento de plástico - 29 -


El proceso de elaboración de una tapa es complejo y altamente tecnificado. Del mismo modo, es una norma de la esta Empresa utilizar siempre materia prima rigurosamente seleccionada para atender las especificaciones de cada producto. El asesoramiento técnico al cliente, es parte integral. Este servicio va dirigido tanto a Embotelladoras como a Envasadoras, promoviendo así un programa de adiestramiento destinado a obtener el máximo rendimiento de sus líneas de envasado. Calidad, tecnología y asesoramiento han hecho merecedores de la confianza de la Industria de Bebidas y Alimentos en los mercados industriales. Tapa Plástica La tapa plástica roscada para acabado PCO 28"; ha sido diseñada para envasar tanto bebidas carbonatadas como productos no carbonatadados como agua, aceite y productos farmacéuticos y el costo de la tapa con cinturón va desde los $0.40 centavos hasta los $0.75 centavos.

Figura 1.16 Molde y taparrosca con cintillo

- 30 -

Generalidades del Proyecto Tabla 1.4 Ciclo de producción

UNIDAD DE INYECCIÓN

UNIDAD DE CIERRE

MOLDE

Cierre del molde. Ajuste de la piquera a la boquilla. Desplazamiento pistón. Mantenimiento presión.

del Mantenimiento de fuerza de cierre. de la

la Inyección. Consolidación presión.

Se cierra la válvula. Separación boquilla.

de

Giro y retroceso del husillo para plastificación y acumulación del Apertura del molde. material.

la

Enfriamiento molde.

bajo

en

el

Expulsión de la pieza moldeada, de mazarota y material de conductos.

Calentamiento del molde si necesario.

1.10.1 Dimensiones de la Máquina La efectividad de una máquina de inyección se basa en la cantidad de presión que esta pueda generar, por dos razones principales: - 31 -


1. Incrementando la presión se puede inyectar más material. 2. Incrementando l presión se puede disminuir la temperatura, que se traduce en menor costo de operación. Las máquinas se venden dependiendo de su fuerza de cie re expresada en toneladas, y van desde 10 Ton las más pequeñas, hasta 3,000 Ton las de mayor capacidad. Es aconsejable utilizar el cañón más largo posible si se necesita mezclar compuestos, y también acer énfasis en el husillo adecuado.

Figura 1.17 H sillo típico de laboratorio para polioleofinas (Fuente: [I])

Aunque las dimensione de la máquina dependen principalme te de la cantidad de polímero que se necesita para llenar la pieza deseada, e s común que los proveedores de máquinas vendan equipos más o menos estándares. Las principales característic s para determinar las dimensiones de na máquina son: la capacidad de cierre, dimensiones del molde, carrera o recorrido del molde, presión de inyección, capacidad volumétrica de inyección, aracterísticas de plastificado y velocidad e inyección. 1.11 Defectos, Causas Posibles y Soluciones en Partes Moldeadas Los defectos en partes moldeadas requieren experiencia tanto para ser identificados como para ser resueltos. Los operarios con años e experiencia en inyección son los mejor s maestros de identificación y solución de problemas, ya

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que su experiencia les da las ideas y recursos necesarios para solucionar problemas rápidamente. Tabla 1.5 Soluciones a los problemas más comunes (Fuente: [V])

DEFECTO

CAUSAS POSIBLES

PROBABLES SOLUCIONES

Enchuecamiento

Enfriamiento demasiado intensivo. Diseño inadecuado de la pieza. Tiempo de enfriamiento muy cortó. Sistema de extracción inapropiado. Esfuerzos en el material.

Incremente el tiempo de enfriamiento dentro del molde. Utilizar un polímero reforzado.

Flash

Presión de cierre demasiado Incrementar la presión de baja. la unidad de cierre.

Líneas de flujo

Cargar el material más Mala dispersión del lentamente. Incrementar la concentrado de color o del temperatura del barril. pigmento. Temperatura Modificar el perfil de demasiado baja. temperaturas.

Puntos negros

Hay carbonizaciones.

Purgar el husillo. Reducir la temperatura de proceso. Limpiar el husillo manualmente.

Piel de naranja

Incompatibilidad del material.

Disminuir la temperatura de proceso. Incrementar la

- 33 -


temperatura del molde. Cambiar el concentrado de color.

Parte incompleta

Insuficiente material en la cavidad. Falta de material en la tolva. Cañón demasiado pequeño. Temperatura demasiado baja. Obstrucción de la tolva o de la boquilla. Válvula tapada. Tiempo de sostenimiento demasiado cortó. Velocidad de inyección demasiado baja. Canales demasiado pequeños. Respiración insuficiente.

Inyectar más material. Cambiar el molde a una máquina de mayor capacidad. Incrementar la temperatura del barril. Incrementar la velocidad de inyección. Modificar el tamaño de los canales del molde.

Parte con rebabas

Dosificación excesiva. Temperatura de inyección muy alta. Presión de inyección muy alta. Tiempo de inyección muy largo. Temperatura de molde muy alta.

Dosificar menos material. Disminuir la temperatura de inyección. Disminuir la presión. Disminuir el tiempo de inyección. Disminuir la temperatura del molde.

Rechupados y huecos

Presión de inyección demasiado baja. Tiempo de sostenimiento de presión muy cortó. Velocidad de inyección baja. Material sobrecalentado. Humedad. Enfriamiento del

Incrementar la presión. Incrementar el tiempo de sostenimiento de presión. Disminuir la temperatura del barril. Incrementar la velocidad de inyección. - 34 -


molde no uniforme. Canales o Abrir el venteo o pre seque compuerta muy pequeños. el material. Modificar los Mal diseño de la pieza. canales de enfriamiento del molde o el flujo del agua. Modificar el molde.

Líneas de unión

Temperatura general muy baja en el molde. Temperatura del fundido no uniforme. Presión de inyección muy baja. Velocidad de inyección muy baja. Insuficiente respiración en la zona de unión de los flujos encontrados. Velocidad de llenado no uniforme. Flujo no adecuado del material por los canales o la cavidad.

Degradación por aire atrapado

Humedad. Degradación de Secar el material. Disminuir aditivos. Temperatura la temperatura. Modificar la demasiado alta. Respiración respiración del molde. del molde insuficiente.

Delaminación de capas

Temperatura demasiado baja. Velocidad de inyección demasiado baja. Baja contrapresión de la máquina. Temperatura del molde muy baja.

Incrementar la temperatura. Incrementar la presión. Incrementar la velocidad de inyección. Modificar la respiración del material en el molde. Modificar la compuerta para uniformar el flujo.

Incrementar la temperatura. Incrementar la velocidad de inyección. Incrementar la contrapresión de la máquina.

- 35 -


Fracturas o grietas en la superficie

Temperatura del molde demasiado baja. Sistema de eyección demasiado agresivo o inadecuado. Empacado excesivo.

Incrementar la temperatura. Modificar las barras eyectoras. Utilice un robot para extraer la pieza. Disminuir la presión de sostenimiento.

Marcas de las barras eyectoras

Tiempo de enfriamiento muy cortó. Temperatura del molde alta. Temperatura del polímero demasiado alta. Rapidez de eyección demasiado alta. Localización inadecuada de las barras eyectoras.

Incrementar el tiempo de enfriamiento. Disminuir la temperatura del fundido. Disminuir la rapidez de eyección. Modificar la ubicación de las barra eyectoras.

Quemado de la pieza

Quemado por efecto de jet.

Disminuya la velocidad de inyección. Probar un perfil inverso de temperaturas. Bajar la temperatura de las de primeras dos zonas de la unidad de inyección. Usar un perfil de temperaturas más agresivo.

El concentrado de color no se mezcla

Perfil incorrecto temperaturas.

El color es más obscuro

La temperatura es demasiado Disminuir la temperatura. alta. La compuerta es Modificar la compuerta del demasiado pequeña y se molde. quema el polímero por - 36 -


presión.

1.12 Reciclaje y Reusó del Plástico Si bien existen más de cien tipos de plásticos, los más comunes son sólo seis, y se los identifica con un número dentro de un triángulo a los efectos de facilitar su clasificación para el reciclado, ya que las características diferentes de los plásticos exigen generalmente un reciclaje por separado. Tabla 1.6 Características, uso y aplicaciones de los plásticos (Fuente: Informe de Salubridad y

Reciclaje)

TIPO / NOMBRE

PET Polietileno Tereftalato

CARACTERISTICAS

USOS / APLICACIONES

Se produce a partir del cido Tereftálico y Etilenglicol, por poli condensación; existiendo dos tipos: grado textil y grado botella. Para el grado botella se lo debe post condensar, existiendo diversos colores para estos usos.

Envases para gaseosas, aceites, agua mineral, cosmética, frascos varios (mayonesa, salsas, etc.). Películas transparentes, fibras textiles, laminados de barrera (productos alimenticios), envases al vacío, bolsas para horno, bandejas para microondas, cintas de video y audio, geotextiles (pavimentación /caminos); películas radiográficas.

El polietileno de alta Envases para: detergentes, densidad es un lavandina, aceites automotor, termoplástico fabricado a shampoo, lácteos, bolsas - 37 -


PEAD Polietileno de Alta Densidad

PVC Cloruro de Polivinilo

partir del etileno (elaborado a partir del etano, uno de los componentes del gas natural). Es muy versátil y se lo puede transformar de diversas formas: Inyección, Soplado, Extrusión, o Rotomoldeo.

Se produce a partir de dos materias primas naturales: gas 43% y sal común (*) 57%. Para su procesado es necesario fabricar compuestos con aditivos especiales, que permiten obtener productos de variadas propiedades para un gran número de aplicaciones. Se obtienen productos rígidos o totalmente flexibles (Inyección - Extrusión Soplado). (*) Cloruro de Sodio (2 NaCl)

para supermercados, bazar y menaje, cajones para pescados, gaseosas y cervezas, baldes para pintura, helados, aceites, tambores, caños para gas, telefonía, agua potable, minería, drenaje y uso sanitario, macetas, bolsas tejidas.

Envases para agua mineral, aceites, jugos, mayonesa. Perfiles para marcos de ventanas, puertas, caños para desagües domiciliarios y de redes, mangueras, blister para medicamentos, pilas, juguetes, envolturas para golosinas, películas flexibles para envasado (carnes, fiambres, verduras), film cobertura, cables, cuerina, papel vinílico (decoración), catéteres, bolsas para sangre.

- 38 -


Se produce a partir del gas natural. Al igual que el PEAD es de gran versatilidad y se procesa de diversas formas: Inyección, Soplado, Extrusión y Rotomoldeo. Su transparencia, flexibilidad, tenacidad y economía hacen que esté presente en una diversidad PEBD de envases, sólo o en Polietileno de Baja conjunto con otros Densidad materiales y en variadas aplicaciones.

Bolsas de todo tipo: supermercados, boutiques, panificación, congelados, industriales, etc. Películas para: Agro (recubrimiento de Acequias), envasamiento automático de alimentos y productos industriales (leche, agua, plásticos, etc.). Streech film, base para pañales descartables. Bolsas para suero, contenedores herméticos domésticos. Tubos y pomos (cosméticos, medicamentos y alimentos), tuberías para riego.

El PP es un termoplástico que se obtiene por polimerización del propileno. Los copolímeros se forman agregando etileno durante el proceso. El PP es un plástico rígido de alta cristalinidad y elevado punto de fusión, excelente resistencia química y de más baja densidad. Al adicionarle distintas cargas (talco, caucho, fibra de vidrio, etc.), se potencian

Película/Film (para alimentos, snacks, cigarrillos, chicles, golosinas, indumentaria). Bolsas tejidas (para papas, cereales). Envases industriales (Big Bag). Hilos cabos, cordelería. Caños para agua caliente. Jeringas descartables. Tapas en general, envases. Bazar y menaje. Cajones para bebidas. Baldes para pintura, helados. Potes para

PP Polipropileno

- 39 -


sus propiedades hasta transformarlo en un polímero de ingeniería. (El PP es transformado en la industria por los procesos de inyección, soplado y extrusión/termoformado)

PS Poliestireno

PS Cristal: Es un polímero de estireno monómero (derivado del petróleo), cristalino y de alto brillo. PS Alto Impacto: Es un polímero de estireno monómero con oclusiones de Polibutadieno que le confiere alta resistencia al impacto. Ambos PS son fácilmente moldeables a través de procesos de: Inyección, Extrusión/Termoformado, Soplado.

margarina. Fibras para tapicería, cubrecamas, etc. Telas no tejidas (pañales descartables). Alfombras. Cajas de batería, paragolpes y autopartes.

Potes para lácteos (yoghurt, postres, etc.), helados, dulces, etc. Envases varios, vasos, bandejas de supermercados y rotiserías. Heladeras: contrapuertas, anaqueles. Cosmética: envases, máquinas de afeitar descartables. Bazar: platos, cubiertos, bandejas, etc. Juguetes, cassetes, blisters, etc. Aislantes: planchas de PS espumado.

1.13 Salud y Riesgos para el Entorno Dado que los plásticos son relativamente inertes, los productos terminados no representan ningún peligro para el fabricante o el usuario. Sin embargo, se ha demostrado que algunos monómeros utilizados en la fabricación de plásticos producen cáncer. De igual forma, el benceno, una materia prima en la fabricación del nylon, es un carcinógeno. Los problemas de la industria del plástico son similares a los de la industria química en general. - 40 -


La mayoría de los plásticos sintéticos no pueden ser degradados por el entorno. Al contrario que la madera, el papel, las fibras naturales o incluso el metal y el vidrio, no se oxidan ni se descomponen con el tiempo. Se han desarrollado algunos plásticos degradables, pero ninguno ha demostrado ser válido para las condiciones requeridas en la mayoría de los vertederos de basuras. En definitiva, la eliminación de los plásticos representa un problema medioambiental. El método más práctico para solucionar este problema es el reciclaje, que se utiliza, por ejemplo, con las botellas de bebidas gaseosas fabricadas con tereftalato de polietileno. En este caso, el reciclaje es un proceso bastante sencillo. Se están desarrollando soluciones más complejas para el tratamiento de los plásticos mezclados de la basura, que constituyen una parte muy visible, si bien relativamente pequeña, de los residuos sólidos. 1.14 Sumario Conocer el proceso de inyección, así como los métodos de moldeo nos da una idea clara de lo que se pretende realizar en el proyecto. A continuación se presenta los temas relevantes que dan paso a la realización del análisis de la red hidráulica, para lograr implementar la red hidráulica más adecuada.

- 41 -

CAPÍTULO ll

CONCEPTOS DE INGENIERÍA

MARGARITA ANDRADE ARIAS

Hewlett-Packard

Conceptos de Ingeniería

CÁPITULO ll CONCEPTOS DE INGENIERÍA Los fluidos desempeñan un interés excepcional en la técnica y en primer lugar el agua y el aire: sin el estudio del primero no se puede dar un paso en la oceanografía, ingeniería naval, canalizaciones y conducciones hidráulicas, estructuras hidráulicas, aprovechamiento de la energía hidráulica, estaciones de bombeo, etc.; sin el estudio del segundo es imposible la aeronáutica, meteorología, refrigeración y aire acondicionado, control y transmisión neumática, aire comprimido, etc. Ecuaciones fundamentales para la total comprensión de los temas del capítulo en cuestión. Presión: magnitud física que mide la fuerza por la unidad de superficie.

ൌ Velocidad: variación de la posición de un objeto en función de la distancia recorrida en unidad de tiempo.

vൌ Densidad: magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen.

ൌ Viscosidad dinámica: magnitud física que mide la resistencia interna al flujo de un fluido.

ൌ Viscosidad cinemática: cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido en cuestión.

- 43 -


ൌ Caudal: cantidad de fluido que pasa por determinado elemento por cantidad de tiempo. Donde:

ൌ vൌ ൌ ൌ ൌ

ó

Á

ൌ ൌ ൌ ൌ ൌ ൌ

é

2.1 Ecuación de Bernoulli Hay tres formas de energía que se toman en cuenta siempre en consideración cuando se analiza un problema de flujo. Considere un elemento de fluido como la figura que a continuación se muestra, dentro de una tubería en un sistema de flujo, se localiza a cierta elevación “ ”, tiene velocidad “ ” y presión “ ”.

Figura 2.1 Elemento de fluido en una tubería. (Fuente: Robert L. Mott. Pág. 166)

El elemento de fluido posee las formas de energía siguientes: Energía potencial: Debido a su elevación, la energía potencial del elemento en relación con algún nivel de referencia es:

ൌ ………ሺ2.1ሻ - 44 -


Donde:

ൌ ൌ ൌ

 ó

Energía cinética: Debido a su velocidad, la energía cinética del elemento es:

ଶ

ൌ 2 ………ሺ2.2ሻ

Donde:

ൌ ൌ



é

ൌ ൌ

Energía de flujo: A veces llamada energía de presión o trabajo de flujo, y representa la cantidad de trabajo necesario para mover el elemento de fluido a través de cierta sección contra la presión “P”.

ൌ ………ሺ2.3ሻ Donde:

ൌ ൌ

í

ൌ ൌ

ó í

La ecuación se obtiene como sigue. La figura siguiente muestra al elemento de fluido en la tubería mientras se mueve a través de una sección. La fuerza sobre el elemento es “PA”, donde “P ” es la presión en la sección y “A” es el área de esta. Al mover el elemento a través de la sección, la fuerza recorre una distancia L igual a la longitud del elemento.

Figura 2.2 Energía de fluido. (Fuente: Robert L. Mott. Pág. 166) - 45 -


Por lo tanto, el trabajo que se realiza es:

ൌ ൌ ………ሺ2.4ሻ ൌ ………ሺ2.5ሻ

Donde es el peso especifico del fluido. Entonces, el volumen del elemento es:

ൌ ………ሺ2.6ሻ Y obtenemos:

ൌ ൌ ………ሺ2.7ሻ Donde:

ൌ ൌ ൌ

ൌ ൌ ൌ

ó

 Á

Denominada energía de flujo Entonces, la cantidad total de energía de estas tres formas que posee el elemento de fluido es la suma “E ”.

ൌ ൅ ൅ ………ሺ2.8ሻ ൌ ൅ ൅ 2 2 ………ሺ2.9ሻ

Cada uno de estos términos se expresa en unidades de energía como el Newtonmetro es el SI, y el pie-libra en el sistema tradicional de Estados

ሺ ሻ

ሺ െ ሻ

Unidos. Ahora, considere el elemento de fluido en la figura siguiente, que se mueve de la sección 1 a la 2. Los valores de “P ”, “Z ” y “v ” son diferentes en las dos secciones.

- 46 -


Figura 2.3 Elemento de fluido utilizado en la ecuación de Bernoulli. (Fuente: Robert L. Mott. Pág.

167)

En la sección 1, la energía es:

ଵ ൅ ଵ ൅ ଵଶ ………ሺ2.10ሻ 2

ଵൌ

En la sección 2, la energía total es:

ଶ ൅ ଶ ൅ ଶଶ ………ሺ2.11ሻ 2

ଶൌ

Si no hay energía que se agregue o pierda en el fluido entre las secciones 1 y 2, entonces el principio de conservación de la energía requiere que:

ଵ൅ ଵ൅ Donde:

ൌ ൌ ൌ ൌ

2

ଵ ൌ ଶ ………ሺ2.12ሻ ଵଶ ൌ ଶ ൅ ଶ ൅ ଶଶ ………ሺ2.13ሻ

2

ൌ ൌ ൌ

 ó

1 2

El peso del elemento “w ” es común a todos los términos y se elimina al dividir entre el. Así, la ecuación se convierte en:

ଵ ൅ ଵ ൅ ଵଶ ൌ ଶ ൅ ଶ ൅ ଶଶ 2 2 Conocida como ecuación de Bernoulli.

- 47 -


Donde:

ൌ ൌ ൌ

ൌ ൌ

 ó

ó

Los subíndices 1 y 2 indican si los valores están dados para el comienzo o el final del volumen de control respectivamente. La ecuación de Bernoulli y la ecuación de continuidad también nos dicen que si reducimos el área transversal de una tubería para que aumente la velocidad del fluido que pasa por ella, se reducirá la presión. 2.2 Ecuación General de la Energía Conceptos introductorios. La siguiente ecuación involucra el flujo volumétrico cuando hay líquidos que circulan en el sistema: Como Donde:

ൌ ൌ ൌ

ൌ

ଵ ൌ ଶ ………ሺ2.15ሻ

, esta se escribe como:

ଵ ଵ ൌ ଶ ଶ ………ሺ2.16ሻ

Á

Estas relaciones permiten determinar la velocidad de flujo en cualquier punto del sistema si se conoce el flujo volumétrico y las áreas de las tuberías en las secciones de interés. Además, deberán estar familiarizados con los términos que expresan la energía que posee un fluido por unidad de peso de fluido que circula por el sistema: - 48 -


ଵ ൅ ଵ ൅ ଵଶ ൅ ஺ െ  െ  ൌ ଶ ൅ ଶ ൅ ଶଶ ……..ሺ2.17ሻ 2 2

Donde:

ൌ ൌ ൌ ൌ ൌ ൌ ఊ

ൌ ൌ ஺ൌ

ó

ó

ൌ ௏మ ൌ ଶ௚

ó   ó

ó

A la suma de estos tres términos se le denominan carga total. Todo esto compone la ecuación de Bernoulli. Sin embargo hay varias restricciones para utilizar la ecuación de Bernoulli: 1. Solo es válida para fluidos incompresibles. 2. Entre las 2 secciones de interés no puede haber dispositivos mecánicos como bombas, motores de fluido o turbinas. 3. No puede haber pérdida de energía por fricción, por la fricción o turbulencia que generen válvulas y accesorios en el sistema de flujo. 4. No puede existir transferencia de calor hacia el sistema o fuera de éste. 2.3 Número de Reynolds El comportamiento de un fluido, en particular en lo que se refiere a las pérdidas de energía, depende de que el flujo sea laminar o turbulento. Por esta razón, se necesita un medio para predecir el tipo de flujo sin tener que observarlo en realidad. Más aún, la observación directa es imposible para fluidos que van por tubos opacos. Se demuestra en forma experimental y se verifica de modo - 49 -


analítico, que el carácter del flujo en un tubo redondo depende de cuatro variables: la del fluido “ ρ”, su viscosidad “η”, el diámetro del tubo “ D ” y la velocidad promedio del fluido “v ”. Osborne Reynolds fue el primero en demostrar que es posible pronosticar el flujo laminar o turbulento si se conoce la magnitud de un número adimensional, al que hoy se le denomina numero de Reynolds (“  ”). La ecuación siguiente muestra la definición básica del número de Reynolds.

 ൌ ௩஽ఘఎ ൌ ௩஽జ… … …(2.18) Estas dos formas de la ecuación son equivalentes debido a que la viscosidad cinemática es:

ൌ ………ሺ2.19ሻ Es posible demostrar que el número de Reynolds es adimensional, con la selección de las unidades estándar del S.I.

1 ሺ ሻሺ ሻሺ ሻ ൌ ൌ ൬ ൰………ሺ2.20ሻ   ൌ ቀ ቁ ሺ ሻ ൬ ଷ ൰൬ ൰………ሺ2.21ሻ Donde:

ൌ

ൌ ൌ

ú á

ൌ ൌ ൌ

á á

Debido a que todas las unidades se cancelan, “  ” es adimensional. El número de Reynolds es uno de varios números adimensionales, útiles en el estudio de la mecánica de fluidos y la transferencia de calor.

- 50 -

Conceptos de Ingeniería Tabla 2.1 Sistema de unidades estándar para el cálculo de número de Reynolds (Fuente: Robert

L. Mott.)

CANTIDAD

UNIDADES UNIDADES DEL TRADICIONALES S.I. DE E.U.

Velocidad Diámetro Densidad Viscosidad dinámica Viscosidad cinemática

૛ ૝

૜

૛ ૝

૜ ૛

૛ ૛

૛

El número de Reynolds es la relación de la fuerza de inercia sobre un elemento de fluido a la fuerza viscosa. Los flujos tienen números de Reynolds grandes debido a una velocidad elevada y/o una viscosidad baja, y tienden a ser turbulentos. Aquellos fluidos con viscosidad alta y/o que se mueven a velocidades bajas, tendrán número de Reynolds bajos y tenderán a comportarse en forma laminar. 2.3.1 Flujo Laminar y Turbulento Para aplicaciones prácticas del flujo en tuberías, encontramos que si el número de Reynolds para el flujo es menor que 2000, éste será laminar. Si el número de Reynolds es mayor que 4000, el flujo será turbulento. En el rango de números de Reynolds entre 2000 y 4000 es imposible predecir que el flujo existe; por tanto, se le denomina “región crítica ”. Si Si

 ൏ 2000, el flujo es laminar  ൐ 4000, el flujo es turbulento - 51 -


Los primeros experimentos cuidadosamente documentados del rozamiento en flujos de baja velocidad a través de tuberías fueron realizados independientemente en 1839 por el fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseville, que estaba interesado por las características del flujo de la sangre, y en 1840 por el ingeniero hidráulico alemán Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen. El primer intento de incluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones matemáticas se debió al ingeniero francés Claude Louis Marie Navier en 1827 e, independientemente, al matemático británico George Gabriel Stokes, quien en 1845 perfeccionó las ecuaciones básicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente se las conoce como ecuaciones de Navier-Stokes, y son tan complejas que sólo se pueden aplicar a flujos sencillos. Uno de ellos es el de un fluido real que circula a través de una tubería recta. El teorema de Bernoulli no se puede aplicar aquí, porque parte de la energía mecánica total se disipa como consecuencia del rozamiento viscoso, lo que provoca una caída de presión a lo largo de la tubería. Las ecuaciones sugieren que, dados una tubería y un fluido determinados, esta caída de presión debería ser proporcional a la velocidad de flujo. Los experimentos realizados por primera vez a mediados del siglo XIX demostraron que esto sólo era cierto para velocidades bajas; para velocidades mayores, la caída de presión era más bien proporcional al cuadrado de la velocidad. En un flujo laminar no existe un estado macroscópico de las capas de fluido adyacentes entre sí. Un filamento delgado de tinta que se inyecte en un flujo laminar aparece como una sola línea; no se presenta dispersión de la tinta a través del flujo, excepto una difusión muy lenta debido al movimiento molecular. Por otra parte, un filamento de tinta inyectado en un flujo turbulento rápidamente se dispersa en todo el campo de flujo; la línea del colorante se descompone en una enredada maraña de hilos de tinta.

- 52 -


Este comportamiento del flujo turbulento se debe a las pequeñas fluctuaciones de velocidad superpuestas al flujo medio de un flujo turbulento; el mezclado macroscópico de partículas pertenecientes a capas adyacentes de fluido da como resultado una rápida dispersión del colorante. El filamento rectilíneo de humo que sale de un cigarrillo expuesto a un ambiente tranquilo, ofrece una imagen clara del flujo laminar. Conforme el humo continúa subiendo, se transforma en un movimiento aleatorio, irregular; es un ejemplo de flujo turbulento. El que un flujo sea laminar o turbulento depende de las propiedades del caso. El flujo dentro de una capa límite puede ser también laminar o turbulento; las definiciones de flujo laminar y flujo turbulento dadas anteriormente se aplican también en este caso. Debido a que el flujo laminar es tan regular y ordenado, es posible obtener una relación entre la perdida de energía y parámetros mensurables dentro del sistema de flujo. Dicha relación se conoce como ecuación de Hagen – Poiseville:

 ൌ ଷଶఎ௏ ఊ஽మ … … …(22)

Donde:

ൌ ൌ ൌ

 á

ൌ ൌ

á

La ecuación de Hagen – Poiseville es válida solo para flujo laminar (

 ൏2000).

Sin embargo, se dijo con anterioridad que también podía usarse la ecuación de Darcy para calcular la perdida por fricción para el flujo laminar. Si igualamos las 2 relaciones para “  ”, podemos despejar el factor fricción:

 ௩మ ൌ ଷଶఎ௩మ … … …(23) ஽ ଶ௚ ఊ஽

- 53 -


ൌ ௚ఊ, obtenemos:

Como

஽ଶ௚మ ൌ ଺ସఎ௚… … …(24) ൌ ଷଶఎ௩ మ ఊ஽ ௩ ௩஽ఒ

ൌ 64 ………ሺ25ሻ ௩஽ఘ Al número de Reynolds se le define como  ൌ ఎ por lo tanto, tenemos: ൌ 64 ………ሺ26ሻ

En resumen, la pérdida de energía debida a la fricción en el flujo laminar puede calcularse con la ecuación de Hagen – Poiseville:

 ൌ ଷଶఎ௩ ఊ஽మ … … …(27)

O con la ecuación de Darcy.

ൌ Donde:

ൌ ൌ ൌ

 á

En la que

ଶ

2 ………ሺ28ሻ ൌ ൌ ൌ

á ó

ൌ ଺ସೃ

Cuando hay flujo turbulento en tuberías es más conveniente usar la ecuación de Darcy para calcular la pérdida de energía debido a la fricción. El flujo turbulento es caótico y varia en forma constante. Por estas razones, para determinar el valor de “ f ” debemos recurrir a los datos experimentales. Las pruebas han demostrado que el número adimensional “f ” depende de otras dos cantidades adimensionales, el número de Reynolds y la rugosidad relativa de la tubería. La rugosidad relativa es la relación del diámetro de la tubería “D ” a la rugosidad promedio de su pared “ε” (letra griega épsilon). La condición de la superficie de la tubería depende sobre todo del material de que está hecha el tubo y el método de fabricación. - 54 -

Conceptos de Ingeniería Tabla 2.2 Valores de diseño de la rugosidad de tubos (Fuente: Robert L. Mott.)

MATERIAL

RUGOSIDAD ε

RUGOSIDAD ε

Vidrio

Liso

Liso

3.0 10ି଻ 1.5 10ି଺ 4.6 10ିହ 1.5 10ିସ 1.2 10ିସ 2.4 10ିସ 1.2 10ିସ 1.8 10ିଷ

1.0 10ି଺ 5.0 10ି଺ 1.5 10ିସ 5.0 10ିସ 4.0 10ିସ 8.0 10ିସ 4.0 10ିସ 6.0 10ିଷ

Plástico Tubo extruido; cobre, latón y acero Acero comercial o soldado Hierro galvanizado Hierro dúctil recubierto Hierro dúctil no recubierto Concreto bien fabricado Acero remachado

Éstos son solo valores promedio para tuberías nuevas y limpias. Es de esperarse cierta variación. Una vez que una tubería ha estado en servicio durante algún tiempo, la rugosidad cambia debido a la corrosión y a la formación de depósitos en la pared. 2.3.2 Ecuación de Darcy En la ecuación general de la energía:

ଵ ൅ ଵ ൅ ଵଶ ൅ ஺ െ  െ  ൌ ଶ ൅ ଶ ൅ ଶଶ ………ሺ29ሻ 2 2 - 55 -


Al término “  ” se le definió como la pérdida de energía en el sistema. Una

componente de la pérdida de energía es la fricción en el fluido que circula. Para el caso del flujo en tuberías y tubos, la fricción es proporcional a la carga de velocidad del flujo y a la relación de la longitud al diámetro de la corriente. Esto se expresa en forma matemática como la ecuación de Darcy:

ൌ Donde:

ൌ

ൌ ൌ

é

í

á

í

ଶ

2 ………ሺ30ሻ ൌ ൌ ൌ

á ó

La ecuación de Darcy se utiliza para calcular la pérdida de energía debido a la fricción en secciones rectilíneas y largas de tubos redondos, tanto para flujo laminar como turbulento. La diferencia entre los dos flujos está en la evaluación del factor de fricción adimensional “ f ”. 2.3.3 Diagrama de Moody El diagrama de Moody es la representación gráfica en escala doblemente logarítmica del factor de fricción en función del número de Reynolds y la rugosidad relativa de una tubería. En la ecuación de Darcy-Weisbach aparece el término “ f ” que representa el factor de fricción de Darcy, conocido también como coeficiente de fricción. El cálculo de este coeficiente no es inmediato y no existe una única fórmula para calcularlo en todas las situaciones posibles. Se pueden distinguir dos situaciones diferentes, el caso en que el flujo sea laminar y el caso en que el flujo sea turbulento. En el caso de flujo laminar se usa una de

- 56 -


las expresiones de la ecuación de Poiseville; en el caso de flujo turbulento se usa la ecuación de Colebrook-White. En el caso de flujo laminar el factor de fricción depende únicamente del número de Reynolds. Para flujo turbulento, el factor de fricción depende tanto del número de Reynolds como de la rugosidad relativa de la tubería, por eso en este caso se representa mediante una familia de curvas, una para cada valor del parámetro “஽”, donde “K ” es el valor de la rugosidad absoluta, es decir la longitud (habitualmente en milímetros) de la rugosidad directamente medible en la tubería. En la siguiente figura se muestra el diagrama de Moody.

Figura 2.4 Diagrama de Moody. (Fuente: Robert L. Mott.) - 57 -


2.4 Pérdidas Menores El fluido en un sistema de tubería típico pasa a través de varias uniones, válvulas, flexiones, codos, ramificaciones en forma de letra “T ” (conexiones en T), entradas, salidas, ensanchamientos y contracciones además de los tubos. Dichos componentes (accesorios) interrumpen el suave flujo del fluido y provocan perdidas adicionales debido al fenómeno de separación y mezcla del flujo que producen. En un sistema típico, con tubos largos, estas pérdidas son menores en comparación con la perdida de carga por fricción en los tubos (las perdidas mayores) y se llaman perdidas menores. En consecuencia usualmente los fabricantes de los accesorios determinan las perdidas menores de manera experimental. Las pérdidas menores se expresan en términos del coeficiente de pérdida “  ” (también llamado coeficiente de resistencia), que se define como:

 ൌ ଶ ………ሺ31ሻ

2

Donde:

ൌ ൌ

ൌ ൌ

é é

Donde “  ” es la perdida de carga irreversible adicional en el sistema de tuberías provocado por la inserción del accesorio, y se define como

 ൌ ఘ௚ಽ. 

Cuando el diámetro de entrada sea igual al diámetro de salida, el coeficiente de pérdida de un accesorio también se puede determinar cuándo se mide la pérdida de presión a través del accesorio y se divide entre la presión dinámica:

 ൌ భమሺఘ௩ಽమሻ . 

- 58 -


Cuando está disponible el coeficiente de pérdida para un accesorio, la pérdida de carga para este accesorio se determina a partir de:

Donde:

ൌ ൌ

é é

ଶ V  ൌ  2 ………ሺ32ሻ ൌ ൌ

En general, el coeficiente de pérdida depende de la geometría del accesorio y del número de Reynolds, tal como el factor de fricción. Sin embargo, usualmente se supone que es independiente del número de Reynolds. Esa es una solución razonable porque, en la práctica, la mayoría de los flujos tienen número de Reynolds grandes y los coeficientes de pérdida (que incluyen el factor de fricción) tienden a ser independientes del número de Reynolds a números de Reynolds grandes. Las pérdidas menores también se expresan en términos de la longitud equivalente “ ௘ ”, que se define como:

Donde:

ൌ

ൌ ൌ ൌ

é

ଶ ௘ ଶ V  ൌ  2 ൌ 2  ௘ ൌ  ………ሺ33ሻ ൌ ൌ Lൌ é

ó

á

Donde “f ” es el factor de fricción y “ D ” es el diámetro de la tubería que contiene el accesorio. La perdida de carga que provoca el accesorio equivale a la perdida de carga causada por un tramo de tubería cuya longitud es “ ௘ ”. Por lo tanto, la

aportación de un accesorio a la perdida de carga se puede explicar simplemente con añadir “ ௘ ” a la longitud de la tubería total. - 59 -


En la práctica se usan ambos procedimientos, pero el uso del coeficiente de pérdida es más común. Por lo tanto, cuando ya estén disponibles todos los coeficientes de pérdidas, la pérdida de carga total en un sistema de tubería se determina de:

 ௧௢௧௔௟ ൌ  ௠௔௬௢௥ ൅  ௠௘௡௢௥ ………ሺ34ሻ

Donde:

 ௧௢௧௔௟ ൌ

é

2.5 Redes de Tuberías • Los trazados de los circuitos de tuberías de los fluidos portadores se diseñarán, en el número y forma que resulte necesario, teniendo en cuenta el horario de funcionamiento de cada subsistema, la longitud hidráulica del circuito y el tipo de unidades terminales servidas. • Se conseguirá el equilibrado hidráulico de los circuitos de tuberías durante la fase de diseño empleando válvulas de equilibrado, si fuera necesario. 2.5.1 Redes de Tubería en Serie Para dicho sistema la ecuación de la energía, con el empleo de la superficie de cada depósito como punto de referencia es la siguiente:

ଵ ൅ ଵ ൅ ଵଶ ൅ ஺ െ  ൌ ଶ ൅ ଶ ൅ ଶଶ ………ሺ35ሻ 2 2

Donde:

ൌ ൌ ൌ ൌ

í ó

ൌ ൌ ஺ൌ

ó é

ó í

- 60 -


Los primeros tres términos del lado izquierdo de esta ecuación representan la energía que tiene el fluido en el punto 1, en forma de carga de presión, carga de elevación y carga de velocidad. Los términos del lado derecho representan la energía del fluido en el punto 2. Es común que haya varios factores que contribuyen a la pérdida total de energía como por ejemplo:

 ൌ ଵ ൅ ଶ ൅ ଷ ൅ ௡ ……..

En un sistema de tuberías en serie, la pérdida total de energía es la suma de las perdidas individuales menores mas todas las pérdidas provocadas por la fricción. Este enunciado coincide con el principio de la ecuación de la energía, es el recuento de toda la energía entre dos puntos de referencia del sistema. 2.5.2 Redes de Tubería en Paralelo Los sistemas de tuberías en paralelo son aquellos en los que hay más de una trayectoria que el fluido puede recorrer para llegar de un punto de origen a uno de destino. Como ejemplo podemos tomar una red de tubería que se divide en cierto punto en tres tuberías en paralelo, por supuesto algo del flujo se distribuye en cada una de las tres ramas que salen de la intersección, que denotaremos como “a, b, c ”, estos flujos volumétricos son “ ௔ ௕ ௖ ” respectivamente. En este caso las tres trayectorias se reúnen en el punto de destino.

, ,

Al ampliar el principio de flujo estable a un sistema en paralelo se llega a la conclusión siguiente:

ଵ ൌ ଶ ൌ ௔ ൅ ௕ ൅ ௖ ………ሺ36ሻ

Donde:

ൌ

é

Ahora se considerara la caída de presión a través del sistema, en el punto 1 hay una presión 1, en el punto 2 hay otra presión distinta 2, entonces la caída de presión es ଵ ଶ . Para el análisis de las presiones se utiliza la ecuación de la energía entre los puntos 1 y 2.

െ

- 61 -


ଵ ൅ ଵ ൅ ଵଶ െ  ൌ ଶ ൅ ଶ ൅ ଶଶ ………ሺ37ሻ 2 2 Al despejar la caída de presión ଵ െ ଶ queda: ଶ െ ଵଶሻ ሺ ଶ ଵ െ ଶ ൌ ቈሺ ଶ െ ଵሻ ൅ 2 ൅  ቉………ሺ38ሻ Donde:

ൌ ൌ ൌ

ൌ ൌ ൌ

 ó

ó é

ó

Esta forma de la ecuación de la energía dice que la diferencia de presión entre los puntos 1 y 2 depende de la diferencia de elevación, la diferencia de las cargas de velocidad y la pérdida de energía por unidad de peso del fluido que circula en el sistema. Cuando cualquiera de los elementos del fluido alcanza el punto 2 del sistema cada uno habrá experimentado el mismo cambio de elevación, velocidad y la pérdida de energía por unidad de peso, sin importar la trayectoria que haya seguido. Es decir todos tienen la misma carga total. Por tanto, cada unidad de peso del fluido debe tener la misma cantidad de energía. Esto se enuncia en forma matemática como:

 ଵିଶ ൌ ௔ ൌ ௕ ൌ ௖ ………ሺ39ሻ

Donde:

ൌ

é

2.6 Potencia y Eficiencia La potencia en HP (Horse power), requerida para manejar una bomba puede ser figurada por la siguiente igualdad:

ൌ ൌ ൌ ൌ

í

ሺ ሻ

33,000 3960

ሺ ሻ - 62 -


Donde:

ൌ



ó

ú

ሺ ሻ

ൌ 3960

Donde:

ൌ3960 െ ൌ ൌ

é

ൌ 3960 .

ൌ . 0.746 ൌ 3960 . ൌ . . .

. 0.746 .

2.6.1 Carga Neta Positiva de Succión (C.N.P.S.) La carga neta positiva de succión se puede definir como la energía mínima que requiere el ojo del impulsor para que el líquido llegue a este mismo; en otras palabras, es la energía mínima requerida para establecer un flujo a través del elemento de succión al ojo del impulsor de una bomba y cuyo valor no deberá reducirse al correspondiente a la presión de vapor del líquido manejado. Se

௞௚ ௟௕

expresa en ௖௠మ o ௣௟௚మ. Las siglas que se emplean para éste concepto es C.N.P.S; pero es más usual el nombre en inglés ósea N.P.S.H. (Net Positive Succión Head). Existen dos tipos de N.P.S.H. a considerar:

- 63 -


a) El N.P.S.H. requerido, es la diferencia mínima de presión entre la carga de succión y la presión de vapor del líquido manejado que necesita una bomba para operar a determinada capacidad. b) El N.P.S.H. disponible, depende fundamentalmente del lugar en el que se lleve a cabo el bombeo y de la presión de vapor del líquido a la temperatura dominante en ese lugar, así como de las condiciones físicas de la instalación.

. . . .ൌ ൅ െ െ

Donde:

ൌ óሺ ó ሻ ൌ á ൌ ൌ ó

í

óሺ ó ሻ óሺ ó ሻ ሺ ó ሻ

2.6.2 Gravedad Específica La gravedad específica es una medida relativa de la densidad del fluido, en comparación con el agua. La gravedad específica del agua a 60°F es de 1.0. S i la densidad del fluido es mayor que la del agua, su gravedad específica será mayor que 1. Por ejemplo, la salmuera concentrada puede tener una gravedad específica de 1.2, lo que significa que su densidad es de 20% mayor que la del agua. Otro ejemplo es el ácido sulfúrico, que puede tener una gravedad específica menor de 1. La gasolina tiene una gravedad específica de 0.72, el queroseno de 0.80 y el aceite lubricante de 0.90. 2.6.3 Presión de Vapor La mejor manera de entender la presión de vapor es examinar un contenedor que está completamente cerrado y medio lleno de líquido. Si la otra mitad del - 64 -


recipiente está completamente vacío de aire, una parte del líquido se evaporará y llenará la mitad superior del recipiente con vapor. La presión del vapor en la mitad superior del contenedor, por definición, e igual a la presión de vapor del líquido a esa temperatura del líquido. La presión de vapor se mide en libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) y es generalmente una función de la temperatura del líquido. La presión de vapor del agua es de 0.3 psia. 2.7 Selección y Aplicación de Bombas Las bombas se utilizan para impulsar líquidos a través de un sistema de tuberías. “ ஺ ” Se determina como la energía que una bomba agrega al fluido. A este valor de “

஺ ” se le llama carga total sobre la bomba. Algunos fabricantes de

bombas se refieren a él cómo carga dinámica total (TDH).

La potencia que transmite la bomba al fluido se denomina “ ஺ ” que es igual a:

஺ൌ ஺

Donde:

஺ൌ ஺ൌ



………ሺ40ሻ ൌ

ൌ

 é

Se usan algunos parámetros fundamentales para analizar el rendimiento de una bomba. La razón del flujo de masa del fluido a través de la bomba, “ ”, es un

ሶ

parámetro obvio fundamental en el funcionamiento de las bombas. En el caso del fluido incompresible es más común utilizar el gasto volumétrico en vez del gasto másico. En la industria de la turbo maquinaria, el flujo volumétrico se denomina capacidad, y es, simplemente, el gasto másico divido entre la densidad del fluido:

- 65 -


ൌ ሶ ………ሺ2.41ሻ Donde:

ൌ ሶ ൌ ൌ

ሺ

é á

ሻ

Además, el rendimiento de una bomba se caracteriza por su carga hidrostática neta “ ”, que se define como el cambio en la carga hidrostática de Bernoulli entre la entrada y la descarga de la bomba:

ଶ

Donde:

ൌ ൌ ൌ

ଶ

ൌ ቆ ൅ 2 ൅ ቇ െቆ ൅ 2 ൅ ቇ ………ሺ2.42ሻ ൌ ൌ ൌ á

ó

ó

La dimensión de la carga hidrostática neta es longitud, y con frecuencia se menciona como altura de una columna equivalente de agua, hasta en el caso de una bomba que no bombea agua. Por lo que se refiere al líquido que se bombea, la carga hidrostática de Bernoulli en la entrada equivale a la altura total o altura de línea de energía (LE, EGL por sus siglas en ingles) en la entrada “ ௘௡௧ ” que se obtiene cuando se alinea un tubo de Pitot en el centro del flujo. En el caso general, la salida de la bomba podría estar a una altura distinta que la entrada y su diámetro y velocidad promedio podría no ser los mismos que la entrada. Independientemente de estas diferencias, la carga hidrostática “ ” es igual a la diferencia entre ௦௔௟ – ௘௡௧ . Carga hidrostática neta para una bomba de líquidos:

ൌ

௦௔௟ െ ௘௡௧ - 66 -


La carga hidrostática neta es simplemente el aumento de la presión en la bomba que se expresa como carga (altura de la columna de fluido). La carga hidrostática neta es proporcional a la potencia útil entregada al fluido. Se acostumbra llamar a esta potencia hidráulica potencia útil, inclusive si el liquido que se bombea no es agua y hasta si la potencia no se mide en unidad de caballos de fuerza. En el aspecto de las dimensiones, se debe multiplicar la carga hidrostática neta por la cantidad de masa y la aceleración de la gravedad para obtener las dimensiones de potencia. Por tanto:

௣௢௧௘௡௖௜௔ ú௧௜௟ ൌ

Donde:

௣௢௧௘௡௖௜ ú௧௜௟ ൌ

ൌ ൌ

Ú

é

ൌ

………ሺ2.43ሻ ൌ ൌ á ሶ ൌ á

Todas las materias sufren pérdidas irreversibles a causa de la fricción, fugas internas, separación del flujo en la superficie de los alabes, disipación turbulenta, entre otras. En consecuencia, la energía mecánica que se suministra a la bomba debe ser mayor que “

௣௢௧௘௡௖௜ ú௧௜௟ ”. En la terminología de las bombas, la potencia

externa que se proporciona a la bomba se denomina potencia al freno o potencia de accionamiento o potencia absorbida, la cual se abrevia como “ ” (por sus siglas en ingles: (brake horse power).

En el caso representativo de una flecha rotatoria que suministra la potencia al freno:

ൌ ௙௟௘௖௛௔ ൌ Donde: ௕௢௠௕௔ ൌ eϐiciencia delabomba ൌ ൌ ó

௙௟௘௖௛௔ ………ሺ2 .44ሻ

- 67 -


Donde “ ” es una velocidad rotacional de la flecha “(

௥௔ௗ)” y “ ௙௟௘௖௛௔” es el momento ௦

de torsión o par de torsión que se suministra a la flecha. Se define eficiencia de la bomba “

Donde:

௕௢௠௕௔” como la relación de la potencia útil y la potencia suministrada: ú௧௜௟ ௣௢௧௘௡௖௜௔ ú௧௜௟ ൌ ሺ ሻ ൌ ௕௢௠௕௔ ൌ ௣௢௧௘௡௖௜௔ ௙௟௘௖௛௔ ௙௟௘௖௛௔ ……… 2 .45

௕௢௠௕௔ ൌ

ൌ ൌ ൌ

ó

ൌ ൌ ൌ ሶ ൌ

é á

á

Una parte se suma importancia en la selección de la bomba es que todos los datos técnicos son determinados por el fabricante y pueden variar con respecto a los cálculos matemáticos basados en la ecuaciones anteriores, y en este caso solamente la selección de bomba se basara en el cálculo de su potencia y al carga del sistema, basados en las curvas de rendimiento del fabricante. 2.7.1 Curvas de Rendimiento de la Bomba Centrífuga El máximo flujo volumétrico en una bomba centrífuga positiva ocurre cuando la carga hidrostática neta es cero, este flujo se llama descarga libre de la bomba. La condición de descarga libre se logra cuando es inexistente la restricción de flujo en la entrada o la salida de la bomba, en otras palabras, cuando no hay carga en la bomba. La eficiencia de la bomba alcanza su valor máximo en algún punto entre la condición de cierra y la condición de descarga libre; este punto de operación de eficiencia máxima se denomina punto de la mejor de eficiencia (PME, BEP por sus siglas en ingles) o punto nominal o punto de diseño, y se denota con un asterisco ( Las curvas de “ ”, “ ௕௢௠௕௔ ” y “ ” como funciones de “ ” se

ሻ.

denominan curvas de rendimiento de la bomba (o bien, curvas características), las curvas de rendimiento de la bomba cambian con la velocidad rotacional.

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Figura 2.5 Curva H – Q (Fuente: BIMSA S.A. de C.V.) - 69 -


2.8 Sumario Los fundamentos teóricos son base importante en el desarrollo y solución de los fenómenos físicos que se presentan en las diversas etapas del proyecto, he aquí la relevancia por la cual se ha de hacer referencia a ellos para una comprensión total y un entendimiento adecuado en el procedimiento lógico. Se han elegido temas de suma importancia, así como principios básicos de ingeniería, los cuales justifican el por qué de la problemática y satisfacen las soluciones de manera adecuada.

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CAPÍTULO lll

PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO


Hewlett-Packard

Planteamiento del Proyecto

CAPITULO lll PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO Teniendo en cuenta la gran demanda de taparroscas en la empresa y el excesivo consumo de agua que esta práctica requiere en las maquinas de inyección de plástico para el enfriamiento de los moldes, se aborda en la satisfacción del cliente para dicha demanda. Este proyecto se enfoca en el ahorro de agua y la eficiencia de un sistema de enfriamiento que cumpla con los requerimientos propuestos por el cliente que ha solicitado nuestros servicios para llevar a cabo este proyecto. 3.1 Necesidades de la Empresa Optimizar técnicas para el mejoramiento de prácticas tan fundamentales e importantes como el enfriamiento de los moldes en las máquinas de inyección de plástico. Ahorro y distribución de agua en una red hidráulica de 36 maquinas de inyección de plástico. Reducir costos de mantenimiento y aumentar la producción. 3.2 Objetivo Cálculo y selección de la red hidráulica de un sistema de enfriamiento para maquinas de inyección de plástico, con el fin de reducir el consumo de agua y hacer más eficiente el sistema implementando el control de las bombas por tiempos determinados, para hacer más eficiente el enfriado de los moldes.

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3.3 Requerimientos de Diseño del Cliente Tabla 3.1 Requerimientos técnicos del cliente

REQUERIMIENTOS Abastecimiento de agua para el enfriamiento de las máquinas Aumentar la producción de taparroscas Bajar costo de mantenimiento Bajar costo de instalación Durabilidad del sistema Evitar la cavitación en las bombas Controlar el abastecimiento del agua por tiempos determinados 3.4 Desarrollo de Propuesta Primero, se determina la carga de diseño, esto es, el gasto que conducirá cada tubería y para el cual debe ser diseñado. Con el gasto de diseño establecido, se determina cuál es el diámetro de las tuberías que deben utilizarse, esto en el tren de succión, la bomba en succión, bomba en descarga así como el tren de descarga. Las características que deben tener estas redes son las siguientes: • Deben de conducir el agua a presión con un mínimo de pérdidas de carga, con el objeto de que las fuentes de presión disminuyan al máximo posible su capacidad, provocando ahorro en su inversión, mantenimiento y consumo de energía, así también garantizando el suministro total y continuo. • Deben de instalarse con facilidad, con el menor herramental posible permitiendo al operario disminuir el tiempo de montaje y evitar fatigas exageradas en su jornada de trabajo.

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• Deben de durar bastante tiempo; el mismo que la construcción, esto se logra con una buena instalación, con una adecuada velocidad de flujo y con una excelente resistencia a cualquier tipo de corrosión. La selección de los materiales debe de realizarse en base a estos puntos, la importancia de esto se refleja directamente en la calidad de la instalación y por lo tanto de la obra, es conveniente aclarar que la calidad de la obra no debe estar en función del tipo, ya sea éste residencial, interés social, etc. sino de quien lo ejecuta. Las tuberías de cobre en las instalaciones hidráulicas tradicionalmente se utilizan, debido a que los usuarios se han percatado de sus ventajas, permitiendo ahorros importantes en cuanto a mantenimiento, duración y conducción del flujo. No obstante existen otros tipos de materiales para tubería dentro del mercado, las cuales para considerar en algún posible trabajo con ellas habrá que tomar en cuenta las condiciones de trabajo así como el costo y beneficio obtenido. 3.4.1 Proceso de Fabricación de las Taparroscas Se debe tomar en cuenta el proceso industrial de la inyección de plástico y la manera en la que esta se lleva a cabo. El modelo por inyección consiste en un sistema de mezclado y fusión de una resina plástica, diseñado para expulsarla a alta presión una vez que se encuentre fundida, hacia un molde metálico en cuya cavidad o cavidades se encuentra la forma de la pieza deseada. Este molde permanece cerrado por el sistema de alta presión de la máquina que evita que se abra al recibir el plástico fundido. Una vez lleno el molde, trascurre un lapso de tiempo en el que interviene el proceso de la unidad generadora de agua helada y llevar dicha agua helada para enfriar la pieza. Cuando la pieza está lista es expulsada del molde.

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Plant amiento del Proyecto

Figura 3.1 Proceso de fabricación de tapas de polipropileno (Fu nte [VII])

3.4.1.1 Requerimientos Cualitativos y Cuantitativos del Agua para el Proceso Se requerirá agua en u rango de: 44°F a la salida de la unid d generadora de agua helada y una temperatura de entrada al condensador de 85°F al 100% de la carga y 60°F al 0% d la carga, además de una temperatura de retorno del proceso de 54°F seg n las normas ARI (Air-Conditioning and Refrigeration Institute). 3.4.1.2 Proceso a Enfri r Se tratará la aplicació industrial del agua a bajas temperat uras previamente procesada en una unid d generadora de agua helada, que e bombeada a un proceso industrial, que en este caso será para el enfriamiento de moldes previamente inyectados con plástico caliente, bajando su temperatura drásticamente, y con ell la optimización del proceso de formado de plástico. 3.5 Requerimientos del Equipo Producto a Enfriar Tapas de polipropileno (PP) para botellas de Polietileno Tereflala to (PET)

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Rango de temperaturas: La temperatura de enfriamiento hacia el proceso es de 44°F y de 54°F de temperatura a la salida del proceso, según normas ARI. El bajo punto de fusión (<269°F) del Polipropileno, copolímero randómico, permite incrementar la velocidad en las líneas de envasado, debido a las menores temperaturas de sellado. Por otro lado, puede ser reciclado con pérdidas poco significativas en resistencia y claridad. Es estimada una producción de 100 tapas por minuto. 3.6 Selección de una Unidad Generadora de Agua Helada El proceso de selección de una generadora de agua helada es muy importante, ya que se deben tomar en consideración muchas variables a las que se somete el proceso, desde la temperatura de trabajo, hasta que pasaría si aumenta la carga dentro de la línea de producción. La mayoría de las unidades generadoras de agua helada cuentan con una banda estrecha de temperatura de enfriamiento que va de los 59°F a los 104°F, dependiendo de las características del material a enfriar. Dichas unidades cuentan con una estabilidad limitada de േ 0,5°C, es decir, se tiene un rango de temperatura en el cual pueden existir variaciones de la temperatura del agua. Hablando de manera más específica tienen una capacidad importante de disipación de calor de 2850 Watts a 1HP. La selección de una unidad generadora de agua helada se debe basar principalmente en el tipo de proceso que se quiere enfriar, las temperaturas de trabajo del material a enfriar, la capacidad de producción de las máquinas inyectoras de plástico y las características de agua que se requieren.

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¿Cuál es la aplicación? Conocer la aplicación permite evitar varios pasos, en este caso enfriaremos matrices inyectadas previamente con plástico. ¿Cuál es el rango de temperatura? El rango de temperatura puede ser de entre 44°F y 5 4°F para este tipo de plástico. ¿Qué estabilidad de temperatura se necesita? Es necesario contar con una estabilidad moderada de േ0.001°C, േ0.5°C para que el proceso de enfriamiento de plástico se mantenga dentro de las condiciones de diseño y de operación lo que repercute en la eficiencia del mismo. ¿Aplicación de circuito cerrado o abierto? Se deben especificar las características tanto del circuito hidráulico como las del proceso del plástico para saber si el circuito es cerrado o abierto. En este caso el circuito es cerrado, puesto que el agua lleva un proceso de ciclado. ¿Cuánta energía de refrigeración es necesaria? Como energía de refrigeración se entiende que es la energía necesaria en el sistema para poder producir cierto rango de agua helada que llegará posteriormente al proceso de enfriamiento de plástico. Así se tienen dos rangos de temperatura en los que generalmente se trabajan: Baja (100 – 700 Watts) Alta (750 – Watts o más) Para este caso es necesaria una energía de refrigeración relativamente baja, puesto que el requerimiento de energía del sistema no es tan demandante.

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¿Cuáles son los requisitos para el bombeo? También existen requerimientos de bombeo de agua en el proceso, que no se refiere a otra cosa más que la de bombear agua a través de las tuberías del sistema, tanto de las ramificaciones para el proceso de inyección como para el de las ramificaciones de retorno del proceso. Además es necesario tener en cuenta que el bombeo tiene otros pasos antes de llegar al proceso de inyección. Uno de ellos es el de llevar el agua a través del intercambiador de calor dentro de la unidad generadora de agua helada, para que una vez que el fluido se encuentre ahí, se le retire todo el calor. Otro proceso es el de llevar el agua helada a una cisterna térmica donde será almacenada para su destino en el proceso. Para los requerimientos del proceso son propuestas las bombas centrifugas debido a que sus características mostradas de flujo y caudal son constantes. Además de no ser necesaria una presión específica ni muy elevada. ¿Cómo elegir una unidad generadora de agua helada para un proceso industrial? Elegir una unidad generadora de agua helada de tamaño adecuado suma una ventaja para su utilización. El tamaño ideal se basa en la cantidad de calor que genere su aplicación, además de la energía adicional para mantener la temperatura bajo cargas variables. El fabricante de la aplicación que se quiere refrigerar normalmente facilita información sobre como disipar el calor, incluyendo cuantos

஻ ்௎ ௛௥

o watts hay que

disminuir junto con el caudal y la temperatura deseada de entrada y de salida del equipo. En caso de que no se facilite ninguna información, aquí se indica como calcular la carga térmica del sistema: ஺஻ ஺஻

ൌ

ൌ

∆ ………ሺ1ሻ ሺ

ଵ

െ

ଶ ሻ ………ሺ2ሻ - 78 -


Análisis Dimensional

ൌ

ଵ

ൌ

ଶ

ൌ

60

8.33

°

°

° °

ൌ ó

ൌ ஺஻

ൌ

°

é

Es necesario medir las temperaturas con el mismo termómetro o con los dos termómetros cuya exactitud esté corroborada. Se mide los con un medidor de flujo o tomando el refrigerante en un volumen conocido durante un período determinado de tiempo. Otras Consideraciones 1. Si la temperatura ambiente del lugar donde operará la refrigeración se encuentra por encima de los 68°F, agregar un 1% a l as

஻ ்௎ ௛௥

calculadas por

cada 0.9°F por encima de los 68°F. 2. Si se opera a 50 Hz, agregar un 20% a las

஻ ்௎ ௛௥

calculadas.

3. Si el voltaje de la línea permanece debajo del voltaje promedio, o si se trabaja en grandes alturas, agregarle un 10% a los watts calculados. 4. El futuro aumento de las necesidades de refrigeración o la variación en la pérdida de calor en una unidad existente.

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3.7 Selección del Equipo Por cuestiones de mantenimiento correctivo y preventivo es conveniente seleccionar para el proceso de enfriamiento de plástico dos unidades BOHN modelo MBMAC120C, puesto que cuenta con los requerimientos de capacidades y características necesarias para el proceso. Como es posible observar se tienen unidades enfriadoras de líquido e diferentes capacidades de enfriamiento.

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●

●

Figura 3.2 Especificaciones del minichiller (Fuente: Manual, Mini-Chiller, York)

Figura 3.3 Diagrama de flujo del refrigerante (Fuente: Manual, Mini-Chiller, York)

Partes constitutivas 1. Compresor 2. Separador de aceite 3. Válvula de servicio 4. Condensador 5. Mirilla 6. Válvula solenoide 7. Válvula de manual tipo diafragma 8. Evaporador 9. Válvula reguladora de presión de evaporación 10. Acumulador de succión Flujo del refrigerante - 81 -


3.7.1 Instalación del Equipo La unidad generadora de agua helada (Chiller) ha sido dispuesta para una instalación sencilla por parte del fabricante, teniendo en mente que no se requiere ninguna soldadura de tubería o carga alguna de refrigerante en el lugar de instalación del equipo. Una conexión roscada es proporcionada por el fabricante para la instalación de la tubería de agua en el lugar de operación. La conexión de entrada y salida de agua son provistas en ambos lados de la unidad teniendo la flexibilidad de conectar la tubería de agua en cualquier lado de la unidad generadora de agua helada. Los componentes y conexiones para la tubería de agua en el equipo tienen materiales con aislamiento y alta resistencia al moho y oxidación. La rosca de las conexiones permite una alta carga de ensamble y desensamble de las conexiones de tubería de agua. Para asegurar una alta eficiencia y seguridad en la operación del interruptor de flujo de agua, la bomba de agua y la cámara de expansión están equipadas con una descarga de aire ubicada en la parte superior. 3.8 Equipo y Componentes Compresor La unidad modelo MBMAC120C está equipada con dos compresores scroll. Los compresores poseen calefactor de cárter para prevenir la migración de líquido refrigerante durante el paro del equipo y para facilitar el arranque de la unidad. •

•

Condensador enfriado por aire. ଷ"

El condensador está fabricado con tubos de cobre sin costura de ଼ , escalonados y unidos mecánicamente con aletas de aluminio.

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Motor – ventilador de condensador La unidad está equipada con un ventilador (de plástico de alta resistencia) con acoplamiento directo a un motor monofásico, los cuales proporcionan el flujo de aire necesario para la operación del intercambiador de calor. •

•

Evaporador

El intercambiador está fabricado con placas de acero inoxidable muy compactas y soldadas todas juntas. El intercambiador está forrado de una capa térmica, a cual permite el aislamiento térmico del mismo. Circuito refrigerante El circuito refrigerante está cargado con R22 que es proporcionado por el fabricante, previamente se han elaborado pruebas de soldadura, como fugas y vacio. El circuito refrigerante es equipado con un tubo capilar cuidadosamente seleccionado para asegurar una operación continua y un flujo adecuado de refrigerante. •

Protecciones de seguridad adicionales La unidad está equipada con controles de seguridad inteligentes como un interruptor de alta y baja presión para prevenir daños en el compresor, resultado de ambas anormalidades alta presión en la descarga o baja presión debido a insuficiencia de gas. •

El controlador electrónico proporciona un control preciso en la temperatura del agua, monitoreado muy de cerca todo el circuito y reaccionado a las señales de la temperatura de entrada del agua, temperatura de salida del agua y la temperatura ambiente del aire. Un interruptor de flujo es provisto en la unidad para proteger a la unidad de algún daño en la bomba de agua.

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Kit hidráulico Adicionalmente el fabricante proporciona un kit hidráulico. El kit de accesorios hidráulico consiste de un tanque de acero inoxidable de 40 litros de capacidad, una cámara de expansión de agua de una capacidad de 8 litros, una válvula de seguridad, una válvula de purga y una válvula de purga de aire. •

Figura 3.4 Dimensiones y conexiones del kit hidráulico (Fuente: Manual, Mini-Chiller, York)

Figura 3.5 Esquema de interconexión del kit hidráulico (Fuente: Manual, Mini-Chiller, York)

3.9 Alimentación eléctrica Las leyes y normas regulatorias concernientes a la energía eléctrica varían en cada país y ciudad. Antes de conectar la energía es necesario asegurar que el voltaje suministrado está acorde a la placa de datos que describen las características eléctricas del equipo.

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Figura 3.6 Diagrama de conexión eléctrica de la unidad generadora de agua helada (Fuente:

Manual, Mini-Chiller, York)

Es de suma importancia utilizar el calibre de conductor adecuado para alimentar el equipo. Las conexiones deben ser hechas de modo que se evite la tensión en las terminales. Los trabajos eléctricos veden ser realizados por el técnico en apego a los códigos o regulaciones locales y a las instrucciones proporcionadas por el fabricante. El equipo debe ser conectado a tierra física. Es necesario tener la precaución de no conectar el conductor de tierra física a la tubería de gas, a la tubería de agua de las instalaciones, o ductos de teléfono, ya que una inadecuada conexión a tierra física puede originar un choque eléctrico. Es de suma importancia que en el tablero de alimentación del equipo exista un solo break termomagnético que proteja al equipo en caso de una descarga eléctrica, una sobrecorriente, etc.

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Es necesario asegurar de la secuencia de las fases, identificar L1, L2, L3 y conectar a las terminales R, S, T en el tablero de control del equipo, o de lo contrario el sistema no arrancará y el controlador no excederá. Cada conductor eléctrico debe ser firmemente conectado sin tensión en las terminales. Ningún conductor debe estar en contacto con las tuberías de refrigerante y componentes móviles tales como compresor y moto ventiladores, etc. El equipo posee controlador microprocesador inteligente y un sensor de temperatura que controlan automáticamente la operación en su condición óptima. Todos los ajustes de temperatura están hechos por el fabricante. El usuario final únicamente debe arrancar el equipo presionando el botón ON/OFF después de asegurar la función propia del equipo, posteriormente cada operación del mismo puede ser automáticamente alcanzada. 3.10 Disposiciones de Espacio Es necesario contar con las condiciones de espacio requeridas por el equipo para su buen funcionamiento, como son: •

La proximidad con otros equipos de refrigeración.

•

La cercanía de sistemas hidráulicos que pudiesen causar algún percance.

•

La correcta cimentación del área donde se colocará el equipo.

•

La delimitación del área segura de trabajo del equipo.

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Figura 3.7 Dimensiones de la unidad generadora de agua helada (Fuente: Manual, Mini-

Chiller, York)

3.11 Manejo y Localización del Equipo La localización del enfriador depende principalmente de algunas consideraciones tales como: espacio, proximidad al equipo del proceso, accesibilidad, mantenimiento y la proximidad de alimentación de energía eléctrica. En general se debe proporcionar un lugar bien ventilado. Si la ventilación es inadecuada debe proporcionarse una ventilación forzada. Para la instalación de estos enfriadores de líquido debe cumplirse con todas las normas y reglamentos aplicables. Con la finalidad de obtener la máxima capacidad, la selección de la ubicación de instalación debe llenar los requerimientos siguientes: 1. El lugar de instalación debe estar ventilado, de tal forma que el aire pueda circular y descargarse libremente. 2. Instalar la unidad de tal modo que la descarga del aire caliente no regrese nuevamente hacia la unidad y/o a otras unidades.

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3. Asegurar que no haya obstrucciones de flujo de aire al entrar o al salir de la unidad. 4. Si no se puede garantizar una buena ventilación cuando la unidad sea instalada en interiores, es recomendable colocar extractores de aire o ductos, los cuales deben ser lo más cortos posibles para que el aire salga al exterior. 5. Fijar la unidad a nivel con la base o techo a una altura de 15cm o 20 cm para evitar una inundación y el correcto drenaje, dicha base debe ser adecuada para soportar el peso de la unidad. 6. El área de instalación no debe ser susceptible al polvo o aceite para evitar que el serpentín del condensador se bloquee. Como precaución general, se recomienda que la unidad no se encuentre cerca de gases flamables. 7. Se recomienda que la unidad cuente con suficiente espacio a su alrededor para una adecuada succión y descarga del aire y para facilitar el acceso para los servicios de mantenimiento.

Figura 3.8 Esquema de la correcta disposición de espacio para las unidades de

enfriamiento (Fuente: Manual, Mini-Chiller, York)

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3.12 Condiciones de Operación Limitaciones de Trabajo de Bajas Temperaturas Todos los enfriadores de liquido tienen limitación en cuanto a las temperaturas de enfriamiento ya que se si se enfría agua con temperatura de evaporación del refrigerante inferior a 32°F se congelara ocasionan do daños muy serios al evaporador y al sistema de tubería. El daño que se provoca a un evaporador por congelamiento no solo afecta al sistema de agua, sino que se mezcla el sistema de refrigerante con el de agua humedad y ocasionando daños al compresor. Condiciones de Instalación en Lugares de Bajas Temperaturas Si la unidad se instala en lugares donde la temperatura ambiente de invierno baja hasta el punto de congelamiento de líquido enfriado (32°F) se debe drenar las tuberías y evaporador oportunamente. Los protectores contra congelamiento que lleva la unidad solamente la protegen de congelamiento por operación. 3.13 Tubería de Líquido para Enfriar El sistema de tubería del líquido a enfriar debe ser colocado de manera que la bomba de circulación descargue hacia el evaporador. Para facilitar el servicio del sistema se recomienda utilizar válvulas de cierre manual en todas las líneas. Deben proporcionarse conexiones de drenaje en todos los puntos bajos para permitir el drenado total de la tubería del sistema y del evaporador. Adicionalmente se recomienda la instalación de un filtro (malla de 40 hilos) en la conexión de entrada del líquido al evaporador. Como una ayuda al servicio, se

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recomienda la instalación de termómetros y manómetros en las líneas de entrada y salida de agua (o líquido a enfriar) del evaporador de placas en las unidades. Las líneas del líquido enfriado que quedan expuestas al ambiente exterior deben envolverse con cable calefactor suplementario y cubrirse con aislamiento para protegerlas contra congelamientos durante los periodos de baja temperatura ambiente y para evitar la información de condensado en los lugares de clima cálido húmedo. En las unidades enfriadoras de líquido debe ser instalado un interruptor de flujo para el agua o líquido a enfriar, en la tubería de salida del enfriador, en cada uno de los extremos del interruptor de flujo debe existir un tramo recto con una longitud mínima equivalente a 5 diámetros de la tubería. El impulsor debe ser ajustado al interruptor de flujo al diámetro de la tubería en la cual va a ser instalada. El interruptor de flujo debe ser conectado a las terminales del tablero de control como se muestra en el diagrama de alambrado (un interruptor de flujo diferencial puede ser utilizado y los puntos de ajuste deben ser establecidos de acuerdo al flujo de operación en la unidades). La importancia de dimensionar apropiadamente las tuberías de enlace con el enfriador de líquido nunca debe ser subestimada una de las causas más comunes de un rendimiento poco satisfactorio de un enfriador de líquido es una tubería diseñada incorrectamente. Cuando se requieran colectores para la distribución del agua, estos deberán se lo más cerca posible del punto de aplicación. Las unidades enfriadoras de líquido comúnmente se usan para enfriar agua en aplicaciones de acondicionamiento de aire y procesos industriales como la inyección de plástico. 3.14 Verificación del Sub-enfriamiento y del Sobrecalentamiento Se debe verificar el sub-enfriamiento y el sobrecalentamiento, esta es una manera ideal para determinar si el enfriador de líquido está completamente cargado y operando apropiadamente. El sub-enfriamiento debe revisarse antes de establecer - 90 -


el sobrecalentamiento. La temperatura de sub-enfriamiento debe ser obtenida tomando la temperatura de la línea de líquido a la salida del condensador y la presión del líquido en la válvula de servicio (convirtiéndola en temperatura por medio de una tabla presión/temperatura del refrigerante). El sobrecalentamiento es la diferencia entre la temperatura real del gas refrigerante del retorno entrando al compresor y la temperatura correspondiente a la presión de succión.la temperatura de succión debe tomarse a 0.15m antes de la válvula de servicio (succión) del compresor y la presión se toma en la válvula de succión del compresor. Un sobrecalentamiento menor de 4.4°C (40°F) indicar ía una sobrecarga mientras que uno mayor a 12°F, indicaría una insuficiencia d e carga. 3.15 Sumario Es fundamental referir las características de las funciones, lugar e infraestructura en las cuales se desarrollara el proyecto para tener una visión de las posibles disyuntivas las cuales se tendrán que enfrentar y resolver de manera factible. Teniendo especificadas las dimensiones de espacio e infraestructura en las cuales se llevara a cabo el circuito de enfriamiento, se dan una serie de propuestas para su solución, siendo elegidas aquellas que cumplan con las especificaciones marcadas por el cliente y satisfagan las condiciones a las que serán sometidas.

- 91 -

CAPÍTULO lV

DESARROLLO DEL PROYECTO

Hewlett-Packard

Desarrollo del Proyecto

CAPITULO lV DESARROLLO DEL PROYECTO 4.1 Memoria de Cálculo Los puntos a tratar en este capítulo consisten en realizar los cálculos correspondientes a la succión y descarga de la bomba, tren de descarga y guías de distribución. Los cálculos correspondientes son: • Cálculos de caudal. • Cálculo de pérdidas por fricción. • Cálculo y selección de diámetros de tubería. • Cálculo de pérdidas por accesorios. • Cálculo de velocidades. • Cálculo y selección de la bomba. • Cálculo y selección del motor eléctrico. • Cálculo y selección de protecciones e interruptores eléctricos. Para comenzar los cálculos de la red hidráulica partiremos de un sistema contra incendio, y se trabaja de una forma muy similar a los sistemas de riego porque se manejan presiones y caudales. El método utilizado es más rápido y eficaz ya que en la industria se calcula un sistema como este con las tablas de pérdida de fricción. 4.2 Normas de Instalación de Sistemas de Rociadores Contra Incendio NFPA 13 STANDARS FOR THE INSTALLATION OF SPRINKLER SYSTEMS La velocidad de flujo o caudal de un rociador depende del tamaño de su orificio y de la presión residual de su alimentación de agua. El caudal se calcula a partir de la fórmula fundamental de flujo de fluidos.

ൌ √ - 93 -


Donde:

ൌ ൌ

ó

ሺ

ó

ሻ

ൌ

.

Varía de: ଵ

1.3 a 1.5 para un orificio de ସ” 5.3 a 5.8 para un orificio de

1 2

" ଷ

13.5 a 14.5 para un orificio de ସ " Tipos de Sistemas de Rociador Automático Un sistema anticongelante es un sistema de tubería humada que contiene soluciones anticongelantes, para uso en áreas expuestas a la congelación. Si el sistema está conectado al sistema de agua potable, entonces solamente se permiten soluciones de glicerina pura o de propilen-glicol. Un uso típico de este tipo de sistema es el hidráulico de la bomba unitaria de calo, donde las tuberías de los rociadores se utilizan para circular el agua a través, ya sea de serpentines del evaporador o de condensación, dependiendo del modo de operación.

- 94 -


Figura 4.1 Perspectiva típica de entubado de sistemas de rociadores automáticos (Fuente: [VIII])

Materiales y Componentes de las Tuberías El material de las tuberías por lo general es acero negro, con conexiones soldadas o mecánicas. También el acero galvanizado es utilizado, pero no deberá ser soldado, ya que la soldadura destruiría el recubrimiento galvanizado (zinc). Puede utilizarse cobre pero es demasiado costoso. Metodología de Diseño del Sistema El tamaño de ramales y alimentadores verticales puede determinarse a partir de una tabla de tuberías, suponiendo que los demás requisitos, como la presión residual y los caudales, cumplen todos ellos con los códigos. Las tablas de - 95 -


tuberías dan como resultado tuberías de tamaño más conservador; resultan muy útiles para la operación preliminar y para estimación de costos. La siguiente figura nos muestra un ejemplo de cómo vamos a realizar el cálculo de nuestra red hidráulica basándonos en la NFPA 13 STANDARS FOR THE INSTALLATION OF SPRINKLER SYSTEMS

Figura 4.2 Cálculo mostrado en los 9 pasos indicándose a partir del primer rociador de la

alimentación del agua (Fuente: reproducido con permiso de NFPA 13. Este material reproducido no es la posición completa y oficial del NFPA sobre el tema de referencia que solamente puede ser representado por la norma en su totalidad [VIII] y anexo 2) - 96 -


4.3 Vistas de Diseño

- 97 -


- 98 -


- 99 -


4.4 Cálculo de Pérdidas de Fricción a un Sistema de Enfriadores a Moldes para Maquinas de Inyección de Plástico

௞௚ , a cada molde Se requiere suministrar un gasto de 3gpm a una presión de 0.5௖௠ మ de una máquina inyectora de plástico. Usaremos tubería de cobre tipo L, por ser la mejor alternativa y presentar un bajo valor de pérdidas por fricción y que además es compatible con el fluido a manejar que es etilen-glicol o agua con glicol a una proporción de 80% al 20% para una temperatura de entre -5°C hasta 50°C, fluido con un a densidad aproximada de 1.151 y una sg=1.151. El diámetro de la tubería se determinará en base a las tablas del H.I.S.; para el caudal de 3gpm. Para un gasto de 3gpm, usaremos en las inyectoras un diámetro constante de tubería y que de acuerdo a las tablas del H.I.S.; considerando un máximo de pérdidas de ௙ , por tramos de cada 100ft de tubería (30.48m) es de 0.82ft.

൑ 5%

Aclaración importante: En el caso de este sistema de tuberías de cobre, no se considerarán y determinarán las pérdidas por fricción por envejecimiento para el cobre, ya que este material no se deforma, altera ó tiene ninguna incrustación, además de que su terminado en el diámetro interior no se modifica con el tiempo. Iniciamos calculando la pérdida de fricción para la máquina inyectora número 18: í ൌ ሺ0.8 ௙భఴ ்௎஻஺

ൌ

ሺ4.265

൅ 0.5 ሻ ൌ 1.30 ሻ ሺ0.82ሻ

100

ൌ 4.265

ൌ 0.03497

- 100 -

Desarrollo del Proyecto Tabla 4.1 Accesorios determinados por cada una de las maquinas (Fuente: ver anexos)

ACCESORIO

௙

CANTIDAD

௙ TOTAL

Válvula de Compuerta 0.61

1

0.61

Codos largos 90° 2

2

4

Te bifurcada 6

1

6

PERDIDAS TOTALES

10.61ft

ሺ10.61 ሻ ሺ0.82ሻ ൌ 0.0870 ൌ ௙భఴ஺஼஼ 100 ௙భఴ஺஽ ൌ

ଶ

2 ଶ ൬1.17 ൰ ൌ 0.2338 ௙భఴ஺஽ ൌ ሺ11ሻ 2൬32.2 ଶ൰ Siendo la

௙ total igual a:

௙భఴ ்௎஻஺ ൌ 0.03497 ௙భఴ஺஼஼ ൌ 0.08070 ௙భఴ஺஽ ൌ 0.2338 ௙భఴ்்஺ ൌ 0.3494

Equivalente en PSI a: Convertimos esta pérdida de fricción a presión. 33.9 ft ---------- 14.7psi 0.3494ft ---------- x

ൌ ሺ0.349433.9ሻሺ14.7 ሻ ൌ 0.1515 Entonces la presión necesaria para el enfriador número 18, será

0.5 ௖௠௞௚ ൌ 29.55 - 101 -


ଵ଼ ൌ 29.40 ଵ଼ ൌ 14.70

൅0.1515 ൌ 29.55 ൅0.1515 ൌ 14.8515

Para el enfriador número 17, tenemos: í ൌ ሺ0.8

ൌ

௙భళ ்௎஻஺

൅ 1.28 ሻ ൌ 2.58

൅ 0.5

ሺ8.46

ሻ ሺ0.82ሻ 100

ൌ 8.46

ൌ 0.0693

Las pérdidas en accesorios y enfriador son las mismas que en 18, por lo tanto: Siendo la ௙ total igual a: ௙భళ ்௎஻஺

ൌ 0.0693

௙భళ ஺஼஼

ൌ 0.0807

௙భళ ஺஽

ൌ 0.2338

ൌ 0.3838

௙భళ ் ் ஺

Su equivalente a PSI será: 33.9 ft ---------- 14.7psi 0.3838ft ---------- x ൌ ଵ଻

ሺ0.3838

ሻሺ14.7

ሻ

33.9

ൌ 0.1664

ൌ 29.40

൅ 0.1664

ൌ 29.566

ൌ 14.70

൅ 0.1664

ൌ 14.8664

Corregido: ଵ଻

La pérdida de fricción para la tubería que va de 18-17 hacia 15-16, será: ்௎஻Í ஺

௙்௎஻஺

ൌ ሺ5.67 ሻሺ3.28ሻ ൌ 18.60

ൌ

ሺ18.60

ሻ ሺ2.75ሻ

100

ൌ 0.5115

Su equivalente a PSI será: 33.9 ft ---------- 14.7psi 0.5115ft ---------- x ൌ

ሺ0.5115

ሻሺ14.7

33.9

ሻ

ൌ 0.2218 - 102 -


Requerimientos: CAUDA ENFRIADOR (gpm)

18

3

17

3

PRESIÓN NECESARIA DE TRABAJO (psi)

29.55 14.8515 29.55 14.8664

4.4.1 Cálculos de la Red Hidráulica DIAM TRO TRAMO DE LA PASO O TUB RÍA SECCIÓN (PL S)

PERDIDAS RESU EN BALANCEO POR DE CAUDAL D FRICCIÓN (GPM) PRESI NES PRESIONES DE (PSI) Z TUBERÍA 3

1

18

1

0.8425

7.35 0..3534 7. 0346 K=1.06

2

17

1

0.88

3

7.35

6

0. 8198 7..7319

3

4

Balanceo de presión 18-17 Tramo de unión de

6 4.35

1

1 1/4

1 .435

0.1525

Q=4.35 gpm

10.35

1 .435

10.35

1 .435 Q=0.5810 0..2759 gpm

0.581

- 103 -


17-18 a 16-15

5

6

7

8

9

10

11

12

16

15

Tramo de unión de 16-15 a 14-13

14

13


12

11

1

1

1 1/2

1

1

2

1

1

0.8425

0.88

0.4111

0.8425

0.88

0.3739

0.8425

10.931

15.7109

10.931

15.7109

3

7.70346

13.931

23.4143

13.931

23.4143

3

7.7319

16.931

31.1462

16.931

31.1462

6.19

0.17826

23.121

31.3244

23.121

31.3244

3

7.7034

26.121

39.0278

26.121

39.0278

3

7.7319

29.121

46.759

29.121

46.759

7.575

0.1621

36.696

46.9211

36.696

46.9211

3

7.7034

39.696

54.6245

39.696

54.6245

- 104 -


0.88

13

14

15

16

17

18

19

20


10

9

Tramo de unión de 10-9 a 87

8

7

2

1

1

2 1/2

1

1


2 1/2

6

1

0.625

0.8425

0.88

0.4576

0.8425

0.88

0.6027

3

7.7319

42.696

62.3564

42.696

62.3564

8.752

0.271

51.448

62.6274

51.448

62.6274

3

7.7034

54.448

70.3308

54.448

70.3308

3

7.7319

57.448

78.0627

57.448

78.0627

9.784

0.19843

67.232

78.26113

67.232

78.2613

3

7.7034

70.232

85.9647

70.232

85.9647

3

7.7319

73.232

93.6966

73.232

96.6966

10.72

0.26135

83.952

93.9579

83.952

93.9579

- 105 -


0.8425

21

22

23

24

25

26

27

28

5


4

3


2

1

Final sección A

1

3

1 1/4

1 1/4

3

1 1/4

1 1/4

3

0.88

0.4018

0.8425

0.88

0.5766

0.8425

0.88

324.43

3

7.7034

83.504

101.6613

83.504

101.6613

3

7.7319

86.504

109.3932

86.504

109.3932

11.576

0.1742

98.528

109.5674

98.528

109.5674

3

7.7034

101.528

117.2708

101.528

117.2708

3

7.7319

104.528

125

104.528

125

12.37

0.25

116.898

125.25

116.898

125.25

3

7.7034

119.898

132.9534

119.898

132.9534

3

7.7319

122.898

140.6853

122.898

140.6453

- 106 -


29

Tramo de unión A hacia B

324.4 3 1/2

122.898

140.6853

325.7

122.898

140.685

1.3

30

Sección A

325.7

122.898

140.685

31

Sección B

324.43

122.898

140.685

325.7

122.898

140.685

32

Balanceo de sección aB

324.4

122.898

140.685

650.1

245.796

281.37

4.5 Pérdidas en Tramo de Tubería de la Salida de la Bomba a la Entrada del Ramal hacia las Máquinas

300 ൌ 282

ሺ300 ሻሺ3.28ሻ ൌ 984

Tomando en cuenta que la tubería es de cobre tipo L y que tenemos un obtenemos de tablas 4.30 hf/100, para una pérdida menor al 5%,

ൌ 282

tenemos:

ሺ984 ሻ൫4.30 ௙ ൯ ൌ 42.31 ൌ ்௙ 100 ௙௧ ൌ 650.1 ൅ 42.31 ൌ 692.41 - 107 -


4.6 Selección de la Bomba

Figura 4.4 Bomba tipo BB2 del API-610. Mezcla agua-glicol (Fuente: [VIII] y anexo 2)

Bomba marca BIMSA modelo 1312 están diseñadas para trabajos pesados, altas presiones y aplicación de alta temperatura en la industria. Están en cumplimiento total con el API-610, es una bomba horizontal de carcasa de corte radial y montaje línea de centros, de impulsores entre rodamientos. Los impulsores son del tipo cerrado, asegurados individualmente por medio de cuñas, balanceados dinámicamente, arreglo de impulsores opuestos para el balanceo de cargas axiales para mejor vida de los rodamientos y sellos mecánicos. VENTAJAS. 1. Diseño de flecha robusta ●

Mínima deflexión de la flecha y máxima duración en la vida útil de la misma. - 108 -


●

Alta capacidad de potencia.

●

Prolonga la vida de los sellos mecánicos.

●

Prolonga la vida de los rodamientos o chumaceras.

2. Carcasa de corte radial ●

Mejor sellado de las juntas manejando hidrocarburos calientes.

●

Facilidad para el mantenimiento

●

Fácil alineamiento en el ensamblado.

●

Previene los des alineamientos laterales.

3. Arreglo de impulsores opuestos ●

Balanceo hidráulico, no tienen problemas de empujes axiales en rodamientos o chumaceras.

●

Prolonga la vida en los rodamientos.

●

Prolonga la vida de sellos mecánicos.

4. Manejo de fluidos a altas temperaturas. 5. Manejo de altas presiones. Equipo a Suministrar. El equipo de bombeo está integrado por una bomba centrifuga horizontal del tipo BB2 del API-610, modelo 1312, tamaño 2x3x11J 2 pasos, convierta de succión de 3” diámetro de 300# cara realzada y brida de descarga de 2” diámetro de 300# cara realzada, la brida tendrá un sentido de giro CCW visto del lado cople, contará con los accesorios: válvulas, bridas, mangueras, etc.

- 109 -


Condiciones de Operación. Fluido

agua 80% + glicol 20%

Presión Diferencial

281.37 psi

Carga Dinámica Total 650 pies Caudal

282gpm

Comportamiento de la Bomba. Numero de Curva Propuesta

2x11J-DA

Velocidad de Rotación Real

3550 rpm

NPSH Requerido

9.3 pies

BHP en el Punto de Operación

73.47 HP

Carga Dinámica Total

650 pies

Flujo Mínimo Continuo

100 gpm

Eficiencia en el Punto de Operación

63%

Diseño y Comportamiento de la Bomba. El equipo de bombeo está diseñado para satisfacer lo siguiente: ●

Diseño mecánico de bomba: API-610.

●

La eficiencia de la bomba es de 63% en el punto nominal.

●

La velocidad de la bomba es de 3550 rpm.

Construcción de la Bomba y Materiales. Bomba centrifuga horizontal 1312, tamaño 2x3x11J/2 pasos, para manejo de mezcla agua-glicol, con capacidad de 282 gpm y una carga dinámica total de 650 pies a 3550 rpm, carcasa de acero al carbón, WCB bridada, impulsores tipo - 110 -


cerrado en acero de 12% cromo ASTM A-217 Gr.CA15, flecha en acero 4140 ASTM A-434CL. BB, anillos de desgaste de impulsores en acero 12% cromo ASTM A-473 T.416, camisa de flecha en SS*316L, los impulsores serán asegurados a la flecha mediante cuñero. Sello mecánico API-692 marca John Crane o Burgmann código de sello BSTFN, con planes de lubricación de acuerdo a API No. 1 y 61. Acoplamiento mediante cople flexible marca Metastream, con guardacople antichispas de aluminio.

- 111 -


Figura 4.5 Bomba: 2X3X11J/2 pasos (Fuente: [VIII] y anexo 2)

- 112 -


Características del Motor. Motor eléctrico horizontal, totalmente cerrado, enfriado por ventilador exterior y con aislamiento “F”, diseño nema B de inducción rotor jaula de ardilla, 100hp, 3600 rpm, 3 fases, 60Hz, 460 volts, armazón 405TS, peso aproximado 591 kg. Patin. Base, totalmente construida en acero estructural ASTM-36 con blocks y tornillos de nivelación para maniobras de instalación del equipo, se instalaran anillos de izaje para las maniobras propias del equipo. Pruebas. Las pruebas hidrostáticas y de comportamiento son atestiguadas de acuerdo al API-610.

●

Se les entregara por escrito de las pruebas citadas.

●

4.6.1Selección del Motor Eléctrico Tamaño de la bomba: 2X3X11J/2 pasos. CALCULO DEL BHP

௫௫௥.௦௣. ଷଽ଺଴௫௡ഁ

BHP=

 ൌ ஺௑ ൌ

282

650 1.0 ൌ 73.47 3960 0.63

400

500 1.0 ൌ 85.6 3960 0.59

- 113 -


Para la selección del motor la potencia en el punto de operación debe multiplicarse por el factor de 1.10 que marca el párrafo 6.1.3 del API-610 y con esto seleccionar la potencia del motor eléctrico:

்

ൌ 73.47

1.10 ൌ 80.817

Figura 4.6 Motor Eléctrico de 100HP, a Polos con F.S de 1.15 (Fuente: [VIII] y anexo 2)

- 114 -


4.7 Sumario Tomando en cuenta el análisis, cálculo y control eléctrico de la red hidráulica con los materiales, accesorios y controles descritos a lo largo de este capítulo, se establece que esta alternativa es el más factible y eficiente para el correcto funcionamiento y desempeño del sistema. Estos materiales, accesorios y controles deberán ser utilizados para las condiciones descritas y/o alguno similar que cumpla con las características de los mismos.

- 115 -

CAPÍTULO V

COSTO - BENEFICIO


Hewlett-Packard

Costo - Beneficio

CAPITULO V COSTO BENEFICIO 5.1 Análisis de Costos Para poder establecer los costos del proyecto realizado, es necesario tener en cuenta los siguientes conceptos: Costo.- Es una erogación monetaria que se recupera con beneficios, y una cantidad que se da o se paga por una cosa. Proyecto.- Es la búsqueda de una solución inteligente al planteamiento de un problema tendente a resolver. Inversión.- Gasto o colocación de caudales en aplicaciones productivas. Compra de un activo por un individuo o sociedad. Proyecto de inversión.- Se puede describir como un plan que, si se le asigna determinado monto de capital y se le proporcionan insumos de varios tipos, podría producir un bien o un servicio útil al ser humano o la sociedad en general. Además de otros conceptos como son los costos, costos directos e indirectos, los cuales iremos describiendo en el transcurso del capítulo. Ahora bien, los proyectos se clasifican de diferente criterio: ●

Según su carácter.

●

Según su naturaleza.

●

Según su relación con otros proyectos

●

Según su actividad o giro

- 117 -

Costo - Beneficio

Dentro de la clasificación de según su naturaleza, existe uno que es de crecimiento, que son inversiones que buscan hacer crecer en una misma rama de negocios. Podemos decir que el nuestro cumple con todos los requisitos para que tenga el nombre de proyecto y de esta manera poder hacer el estudio o la evaluación correspondiente de los costos de ingeniería para poder decir al final del mismo capítulo si el proyecto es viable o no. La viabilidad de un proyecto obedece a estimar las ventajas y desventajas de asignar recursos a su realización, asegurando así la mayor productividad de los recursos. La evaluación de un proyecto de inversión, cualquiera que ésta sea, tiene por objeto conocer su rentabilidad económica y social, de tal manera que asegure resolver una necesidad humana en forma eficiente, segura y rentable. El estudio del proyecto pretende contestar el interrogante de si es o no conveniente realizar la inversión. Esta recomendación sólo será posible si se dispone de todos los elementos necesarios para tomar la decisión. En términos generales la evaluación del proyecto se divide en 3 estudios que son: ●

●

●

Viabilidad comercial. Indicará si el mercado es o no sensible al bien o servicio producido por el proyecto y la aceptabilidad que tendría en consumo o uso. Viabilidad técnica. Estudia las posibilidades materiales, físicas y químicas, condiciones y alternativas de producir el bien o servicio que se desea generar con el proyecto. Viabilidad financiera. Determina, en último término su aprobación o rechazo.

Para poder determinar el rechazo o aprobación del mismo se tendrán que hacer los cálculos financieros necesarios de los elementos que conforman el sistema de

- 118 -

Costo - Beneficio

enfriamiento. Para la realización de este proyecto se utilizarán los siguientes elementos: ●

Tubería de cobre tipo L.

●

Accesorios.

●

Bomba.

●

Control eléctrico.

Al tratarse de un diseño nuevo, se debe tomar en cuenta algunos aspectos para los costos de ingeniería como son: ●

Costos de diseño de ingeniería.

●

Dibujos de ingeniería.

●

Costos de instalación.

●

Mantenimiento del equipo.

5.2 Costos La estimación de costos será para la producción de 2 meses, teniendo en cuenta que para la siguiente producción solo se invertirán costos variables, es decir todos aquellos que se generen para una mayor producción exceptuando la red hidráulica, el cual solo implica el gasto de una inversión inicial. De acuerdo a las cotizaciones realizadas en el mercado actual, se presentan las siguientes tablas de precios de los materiales a utilizar. Costo de Tuberías Este costo es por la alimentación de las secciones A y B de las máquinas por lo que el costo de inyección y succión de las dos secciones de las máquinas es el siguiente:

- 119 -

Costo - Beneficio Tabla 5.1 Tuberia de cobre (Fuente: ver anexos)

TUBERÍA DE COBRE TUBERÍA Tubería de Tipo L 1”

Cobre

CANTIDAD REQUERIDA (m)

PRECIO UNITARIO (m)

COSTO TOTAL

31

$146.46

$4,540.00

Tubería de Cobre Tipo L 1 ¼”

6

$178.70

$1,072.20

Tubería de Tipo L 1 ½”

6

$316.72

$1,900.32

Tubería de Cobre Tipo L 2”

11

$497.00

$5,470.49

Tubería de Tipo L 2 ½”

Cobre

11

$750.45

$8,254.95

Tubería de Tipo L 3”

Cobre

34

$854.33

$29047.22

Cobre

$50,285.18 TOTAL

$100,570.36

TUBERIA DE COBRE TUBERÍA

CANTIDAD REQUERIDA (m)

Tubería de cobre 3 ½”

124

PRECIO UNITARIO (m) $930.00 TOTAL

COSTO

$115,320.00 $230,640.00 - 120 -

Costo - Beneficio Tabla 5.2 Accesorios (Fuente: ver anexos)

ACCESORIOS DE COBRE COSTO UNITARIO

ACCESORIO

PIEZAS

COSTO TOTAL

Tee Reducida 1 ¼” – 1”

12

$124.90

$1,498.80

Tee Reducida 1 ½” – 1”

8

$124.90

$999.20

Tee Reducida 2” – 1”

16

$194.00

$3,104.40

Tee Reducida 2 ½” – 1”

8

$254.60

$2,036.80

Tee Reducida 3” – 1”

24

$360.00

$8,640.00

Codo 90°

40

$37.00

$1,480.00

Válvula Globo

72

$270

$37,119.00

TOTAL

$54,878.20

Tabla 5.3 Accesorios Cédula 40 (Fuente: ver anexos)

ACCESORIOS DE ACERO ACCESORIO

PIEZAS

COSTO UNITARIO

COSTO TOTAL

Codo 45°3 ½”

4

$175.20

$700.80

Codo 90°3 ½”

20

$175.20

$3,504.00

Válvula Mariposa 3 ½”

2

$1,237.00

$2,474.00

Válvula de Compuerta 3 ½”

4

$1,237.00

$4,948.00

Válvula Solenoide 3 ½”

2

$1,720.00

$3,440.00

Manometro

36

$450.00

$16,200.00

TOTAL

$31,266.80

- 121 -

Costo - Beneficio Tabla 5.4 Equipo de Bombeo (Fuente: ver anexos)

EQUIPO DE BOMBEO ACCESORIO

COSTO UNITARIO

PIEZAS

COSTO TOTAL

BOMBA

2

$ 375,756.00

$ 751,512.00

TINACO

1

$ 1,912.00

$ 1,912.00

ELECTRONIVEL

2

$ 175.00

$ 350.00

TOTAL

$ 753,774.00

La bomba incluye el motor eléctrico, sello mecánico, mangueras antivibratorias, válvula check, etc. El tinaco incluye los accesorios necesarios para su instalación. Tabla 5.5 Control Eléctrico (Fuente: ver anexos)

CONTROL ELECTRICO ACCESORIO

PIEZAS

COSTO UNITARIO

COSTO TOTAL

TEMPORIZADOR

1

$ 1,000.00

$ 1,000.00

INTERRUPTOR TERMOMAGNETICO

1

$ 19,000.00

$ 19,000.00

CONTACTOR

1

$ 17,000.00

$ 17,000.00

CABLE DIFERENTES CALIBRES

5

$ 1,000.00

$ 5,000.00

TOTAL

$ 42,000.00

Se cobrará $5,000.00 por material misceláneo, que incluye: soldadura, gas para soldar, cinta teflo, cinta de aislar, etc.

- 122 -

Costo - Beneficio Tabla 5.6 Materiales (Fuente: ver anexos)

MATERIALES MATERIAL

COSTO

Tubería de Cobre

$ 100,570.36

Tubería de Cobre

$ 230,640.00

Accesorios de Cobre

$

54,878.20

Accesorios de Acero

$

31,266.80

Equipo de Bombeo

$ 753,774.00

Control Eléctrico

$

42,000.00

Misceláneos

$

5,000.00

COSTO TOTAL

$ 1,218,129.36

Dentro de los dibujos hechos en computadora, en los que se tendrán todas las especificaciones del proyecto, se ha utilizado el software de diseño Autocad y Solids Works. Teniendo el total de la inversión estimada que se hará en el sistema hidráulico, obtenemos el costo total del proyecto. Tabla 5.7 Proyecto total.

COSTO TOTAL DEL PROYECTO Costo Total de Materiales

$ 1,218,129.36

Costo de Ingeniería

$

TOTAL

$ 1,757,858.36

40,000.00

- 123 -

Costo - Beneficio

5.3 Ganancias Serán las totales de nueve meses de producción. Para obtener la ganancia total de producción, es importante saber la cantidad estimada de taparroscas que se producen. Las ganancias estimadas serán:

GANANCIAS CANTIDAD COSTO

COSTO TOTAL

Taparroscas 500,000

$200,000.00

$0.40

5.4 Punto de Equilibrio Se deben identificar los diferentes costos y gastos que intervienen en el proceso productivo. Para operar adecuadamente el punto de equilibrio es necesario comenzar por conocer que el costo se relaciona con el volumen de producción y que el gasto guarda una estrecha relación con las ventas. Tantos costos como gastos pueden ser fijos o variables. El punto de equilibrio sirve para determinar el volumen mínimo de ventas que la empresa debe realizar para no perder, ni ganar. En el punto de equilibrio de un negocio las ventas son iguales a los costos y los gastos, al aumentar el nivel de ventas se obtiene utilidad, y al bajar se produce pérdida. Se deben clasificar los costos: ●

Costos fijos: Son los que causan en forma invariable con cualquier nivel de ventas. - 124 -

Costo - Beneficio

●

Costos variables: Son los que se realizan proporcionalmente con el nivel de ventas de una empresa.

Para poder calcular el punto de equilibrio, se establecen los costos variables a aquellos que se generen a lo largo de un año de producción, es decir el excedente de costos, los cuales son: mantenimiento, pago de energía eléctrica, agua, personal y compra de materia prima. También se deberán tomar en cuenta las ganancias obtenidas durante un año de producción. . .ൌ 1െ

. .ൌ

$ 1,757,858.36 $40,500 1െ $2,400,000

ൌ $1,778,031.39

. . ൌ $1,778,031.39

El resultado obtenido se interpreta como las ventas necesarias para que el proyecto opere sin pérdidas ni ganancias.

- 125 -

Conclusiones

CONCLUSIONES El presente proyecto permitió analizar las distintas problemáticas que se presentan muy frecuentemente en sistemas de bombeo (caída de presión por rozamiento, caudales volumétricos bajos, baja eficiencia y alto consumo de energía eléctrica en el equipo de bombeo), así mismo proponer alternativas que lleven a su solución de la manera más adecuada y buscando el mayor aprovechamiento que se pueda ofrecer, los resultados arrojaron un consumo eficiente de agua, energía eléctrica, y aumento de producción con lo cual se satisfacen ampliamente los requerimientos técnicos estipulados por el cliente. El estudio económico indica que el proyecto es sustentable, ya que las ventas de nueve meses serán suficientes para cubrir los costos generados en ese periodo (costos totales del proyecto y costos de operación), los gastos derivados de mantenimiento y otros materiales no implican inversiones grandes ni tampoco trabajos de alta ingeniería por que el diseño fue dirigido a un uso práctico (uso de controles eléctricos de paro y arranque de la bomba) y facilitar su operación (implementación de materiales comerciales de fácil manejo y económica adquisición). Las ganancias estimadas pretenden superar un 95% a las obtenidas en años anteriores, la resistencia de los materiales darán un tiempo largo de vida al sistema siempre y cuando se tenga un uso adecuado de ellos. Las alternativas de sistemas eficientes y controlados resuelven las carencias que tienen las prácticas de producción tradicionales, se obtienen más ganancias a menor costo.

- 126 -

Bibliografía

BIBLIOGRAFÍA ●

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Mecánica de Fluidos, Sexta Edición, Robert L. Mott, Editorial Pearson. Mecánica de Fluidos y Maquinas Hidráulica, segunda edición, Claudio Mataix, Ediciones del Castillo S.A.

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Bombas, Selección Uso y Mantenimiento, Kenneth J; McGraw-Hill.

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Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Ronald R. Askeland, Tercera edición, International, Thomson Editores. Sistemas de Bombeo, Características Y Dimensionamiento, J. W. J. de Wekker V.

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Manual, Mini-Chiller, York

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Revista Investigación y Ciencia, N.°228, Septiemb re de 1995

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Enciclopedia Encarta® 1998, Microsoft® Corporation

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Diccionario Enciclopédico Salvat®.

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Informe de Salubridad y Reciclaje, Marzo de 1998.

Consultas Electrónicas: ●

[l] http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Dimensiones_husillos_comunes.png

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[ll] http://es.wikipedia.org/wiki/polioleofina

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[lll] http://www.monografias.com/trabajos19/gestion-procesos

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[IV] http://www.es.wikipedia.org./wiki/moldeo_por_inyeccion

●

[V] http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Molde_inyeccion_prefabrica do.png

●

●

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[VI] http://docencia.udea.edu.co/ingenieria/moldes_inyeccion/unidad_2/proc eso_inyeccion.html [VII] png

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Flujo_en_la_cavidad_del_molde.

[VIII] http://secoi-ltda.com/NFPA%2013.htm - 127 -

Glosario

GLOSARIO Anisótropo (opuesta

de isotropía) es la propiedad general de la materia según la

cual determinadas propiedades físicas, tales como: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la luz, etc. varían según la dirección en que son examinadas. Bebederos tubo fijado a un molde para fundición que forma un canal por el que se vierte el metal fundido; una vez finalizado el proceso se corta. Cavitación (o aspiración) en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli. Celuloide es el nombre comercial del material plástico nitrato de celulosa, que se obtiene usando nitrocelulosa y alcanfor. Corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. De manera más general, puede entenderse como la tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de menor energía interna. Opacidad no deja pasar luz en proporción apreciable. Es una propiedad óptica de la materia, que tiene diversos grados y propiedades. PLC dispositivo electrónico muy usado en automatización industrial. Un PLC controla la lógica de funcionamiento de maquinas, plantas y procesos industriales, procesan y reciben señales digitales y analógicas y pueden aplicar estrategias de control. PMMA dentro de los plásticos de ingeniería podemos encontrarlo como Polimetilmetacrilato, también conocido por sus siglas PMMA. Viscoelásticos es un tipo de comportamiento reológico que presentan ciertos materiales que exhiben tanto propiedades viscosas como propiedades elásticas cuando se deforman.

128

Anexos

ANEXOS 1. NATURAL FIRE CODES. QUINCY, MA: NATIONAL FI E PROTECTION ASSOCIATION, 1993 2. NFPA 13 STA DARS FOR THE INSTALLATION OF SPRINKLER SYSTEMS NORAMS DE INSTALACION DE SISTEMAS E ROCIADORES CONTRA INCEN IO 3. PLUMBING/HEA ING HANDBOOK

- 129 -

Anexos

- 130 -

Anexos

- 131 -

Anexos

- 132 -

Anexos

- 133 -

Anexos

- 134 -

Anexos

- 135 -

Anexos

Interruptor termomagnético, 3 polos, 300 amp, 460 volts.

- 136 -

Unidades Chillers doras

Mini Chillers

5,8 y 10 Tons.

Modulares

15 y 20 Tons.

GRUPO FRIGUS THERME REGISTRO ISO 9001:2000 N o . D E A R C H IV O : A 5 4 05

Indice Lista de Precios

2

Mini Chillers

3

Características Capacidades Especificaciones Dimensiones

4 5 6 7

Chillers Modulares

8

Características y Capacidades Especificaciones Dimensiones

9 10 11

Mini Chillers

Características Mini Chillers Lista de Precios Los mini Chillers de aire acondicionado MBMAC cuentan con la más alta calidad, de alta eficiencia, la última tecnología y operación silenciosa. Nuestras unidades modelo MBMAC utilizan un diseño avanzado del compresor que utiliza el refrigerante R-22. Estos modelos se ofrecen en 5, 8 y 10 Toneladas. Simple de operar. Posee un controlador microprocesador inteligente y un sensor de temperatura que controlan automáticamente la operación en su condición óptima haciendo muy simple su operación. Todos los ajustes de temperatura son hechos en fábrica antes del embarque. El usuario únicamente debe arrancar la unidad presionado el botón ON/OFF después de asegura la función propia de la unidad, posteriormente cada operación de la unidad puede ser automáticamente alcanzada por la unidad misma. Un control remoto inalámbrico o alambrico puede ser usado para una operación de control de la unidad siempre y cuando éstos controles sean compatibles con el controlador interno de la unidad.

Instalación amigable. El chiller ha sido diseñado para una instalación amigable teniendo en mente que no se requiere ninguna soldadura de tubería o carga alguna de refrigerante en el lugar de instalación del equipo. Una conexión roscada es proporcionada para facilitar la instalación de la tubería de agua en el lugar de operación. La conexión de entrada y salida de agua son provistas en ambos lados de la unidad teniendo la flexibilidad de conectar la tubería de agua en cualquier lado del chiller. Los componentes y conexiones para la tubería de agua en el chiller tienen materiales de alta durabilidad con buen aislamiento y alta resistencia al moho y oxidación. La rosca de las conexiones está diseñada para permitir una alta carga de ensamble y desensamble de las conexiones de tubería de agua. Para asegurar una alta eficiencia y seguridad en la operación del interruptor de flujo de agua, la

4

bomba de agua y la cámara de expansión están equipados con una descarga de aire ubicada en la parte superior. Adicionalmente BOHN proporciona un kit hidráulico con el tanque de almacenamiento de agua, válvula de autollenado de agua, válvula para purga de aire, válvula de alivio de presión y un filtro, como accesorios integrados al chiller.

Control seguro. Dispositivos de protección tales como protección de sobrecarga, interruptor de presión dual, etc. Son proporcionados para asegurar una operación en los rangos de condición de seguridad del chiller. El controlador microprocesador automáticamente dirige el sistema encendiendo o apagando por el monitoreo de la retroalimentación de la temperatura del agua. Si la temperatura del agua cae a un punto bajo inaceptable, el controlador automáticamente para el sistema para prevenir el congelamiento interno en el sistema hidráulico, mientras tanto el controlador microprocesador automáticamente monitorea el estado de operación o malfuncionamiento de cada componente y retroalimenta al controlador interior para facilitar el trabajo de localizar la falla o el problema.

Capacidades Mini Chillers Temperatura Ambiental ( oC) Temperatura 28 C 32 C de salida de agua Capacidad Entrada de Capacidad Entrada de de Enfriado Energía de Enfriado Energía o C Kcal/h W Kcal/h W o

Modelo

MBMAC070C

MBMAC100C

MBMAC120C

o

35oC Capacidad de Enfriado Kcal/h

40oC

Entrada de Capacidad Entrada de Energía de Enfriado Energía W Kcal/h W

42oC Capacidad Entrada de de Enfriado Energía Kcal/h W

5

16110

5492

15234

4716

14921

5108

13995

6

16639

5195

15995

5477

15862

5926

15268

14887

7

17168

5767

16755

6209

16520

7245

15962

15615

8

18281

6658

17400

7006

17102

7759

16308

15995

9

18391

7636

17994

7977

17713

8455

16804

16491

10

19052

8107

18738

8824

18258

9237

17118

16804

5

22655

6625

21423

6956

20982

7533

19681

18937

6

23399

7661

22493

8078

22307

8740

21470

20936

7

24142

8505

23562

9157

23292

10685

22446

21958

8

25709

9820

24468

10332

24049

11444

22934

22492

9

25862

11262

25304

11764

24909

12469

23631

23190

10

26791

11957

26350

13014

25676

13623

24072

23631

5

29368

7955

27772

8352

27199

9045

25512

24549

6

30332

9199

29157

9699

28916

10495

27831

27139

7

31296

10213

30543

10995

30267

12830

29097

28404

8

33327

11791

31717

12407

31175

13741

29729

29157

9

33525

13523

32802

14126

32290

14973

30633

30061

10

34729

14357

34157

15627

33283

16358

31205

30633

13467

Notas: 1. Grados de acuerdo con el estándar 550/590-98 de ARI. 2. Grados basados en HCFC-22, factor de suciedad del evaporador 0.0001, flujo del agua del evaporador de 2.4 gpm/ton al nivel del mar 3. Se permite la interpolación; la extrapolación no se permite. Consulte el representante de BOHN para el funcionamiento fuera de las temperaturas demostradas.

Especificaciones Generales. Compresor. Estos Mini Chillers están equipados con dos compresores scroll altamente confiables, eficientes y silenciosos. El modelo MBMAC070C sólo tiene un compresor scroll. Condensador enfriado por aire. Este condensador está fabricado con tubos de cobre sin costura de 3/8” , escalonados y unidos mecánicamente con aletas de aluminio de alta eficiencia asegurando una óptima transferencia de calor. Motor- ventilador de condensador. La unidad está equipada con un ventilador (de plástico de alta resistencia) con acoplamiento directo a un motor monofásico, los cuales proporcionan un alto flujo de aire que asegura el alto requerimiento de cambios de aire para asegurar la operación confiable y continua del intercambio de calor. Evaporador. Este intercambiador está fabricado con placas de acero inoxidable muy compactas y soldadas todas juntas, lo cual garantiza una alta eficiencia en intercambio de calor Todo el intercambiador está forrado de una capa térmica, la cual permite un óptimo aislamiento térmico. Circuito refrigerante. Para asegurar una óptima operación el circuito de refrigerante es cargado con refrigerante R22 de

fábrica, previa elaboración de la soldadura, prueba de fugas y vacío correspondiente Cada circuito refrigerante es equipado con un tubo capilar cuidadosamente seleccionado para asegurar una operación continua y un flujo adecuado de refrigerante. Protecciones de seguridad adicionales. Las unidades están equipadas con controles de seguridad inteligentes que garantizan una operación segura. Un interruptor de alta y baja presión es provisto para prevenir daños en el compresor, resultándo de ambas anormalidades alta presión en la descarga o baja presión debido a insuficiencia de gas. Todos los compresores poseen calefactor de carter para prevenir la migración de líquido refrigerante durante el paro del equipo y para facilitar el arranque de la unidad. El controlador electrónico proporciona un control preciso en la temperatura del agua, monitoreando muy de cerca todo el circuito y reaccionado a las señales de la temperatura de entrada del agua, temperatura de salida del agua y la temperatura ambiente del aire. Un interruptor de flujo es provisto en la unidad para proteger a la unidad de algún daño en la bomba de agua. Durante alguna condición anormal el controlador electrónico apagará la unidad y en la pantalla aparecerá la falla posible (ver hoja de problemas).

5

Dimensiones MBMAC100C y MBMAC120C Lista de Precios Modelos MBMAC070

G 4-10X20

F E A D

B

Dimensión

Modelo

MBMAC070C 1212

A B C D E

C 2-Rc1

502 1700 1135 1162 132

F G H I J

254 235 80 604.5

UNIT: mm

Modelos MBMAC0100C y MBMAC0120C y A

0 0 1

Puerto de cableado (OUT) Puerto de cableado (IN) HP Gauge (SYS2) LP Gauge (SYS2) Salida de agua (Rc 1 1/4) Entrada de agua (Rc 1 1/4)

D C

E

F B

8 2 1 5 , 3 5 2

27

G

Dimensión

Modelo

MBMAC100C( R)

MBMAC120C( R)

A B C D E

1500 900 1260 1190

1800 1150 1260 1190

297.5

347.5

F(Mounting hole)

307.5

307.5

G(Mounting hole )

1446

1546

7

Chillers Modulares

Características y especificaciones Chillers Modulares Lista de Precios Los equipos modulares de aire acondicionado MAC cuentan con la más alta calidad, de alta eficiencia, la última tecnología y operación silenciosa. Nuestras unidades modelo del MAC utilizan un diseño avanzado del compresor que utiliza refrigerante R-22. Estos modelos se ofrecen en 15 y 20 toneladas, que se pueden combinar (unidades de 15 con 15 toneladas, unidades de 20 con 20 toneladas, no sepueden combinar unidades de 15 toneladas con 20 toneladas) para conseguir la capacidad deseada, dando una increíble flexibilidad al buscar la combinación perfecta para sus necesidades presentes y futuras. Su operación silenciosa, los hace más amigables, convirtiéndose en su mejor opción en Chillers. CONFIABILIDAD EXCEPCIONAL

EFICIENCIA

Dos compresores scroll con circuitos de refrigeración independientes por modulo. Hasta 6 módulos disponibles para instalar Cada modulo tienen un sistema de control independiente. Basado en control de microprocesadores Probado de fábrica.

Compresores Scroll de Copeland de alta eficiencia. Coils de condensador en forma de V con optima capacidad de intercambio de calor. Aletas de acero inoxidable en el evaporador. Alto volumen de aire en los ventiladores.

CONTROL LÓGICO

OPERACIÓN SILENCIOSA

Display LCD de fácil lectura Confiabilidad superior bajo condiciones extremas de operación. Flexibilidad individual y/o total del control.

Diseño hermético del compresor. Bajo nivel de sonido. Operación sin vibraciones.

Temperatura Ambiental del Aire ( oC) MBMAC Unidad Tamaño

Temp. de salida del agua

MBMAC-210A

30

35

40

43

Unit

PWR

Unit

PWR

Unit

PWR

Unit

PWR

Unit

PWR

( C)

KW

kWi

KW

kWi

KW

kWi

KW

kWi

KW

kWi

4

56.3

18.7

53.8

19.9

51.0

20.9

48.6

22.2

47.6

22.6

5

58.0

19.0

55.4

20.1

52.8

21.3

49.8

22.5

48.9

22.9

6

59.8

19.3

57.1

20.5

54.3

21.7

51.5

23.1

50.4

23.2

7

61.4

19.6

57.7

20.9

56.0

22.0

53.2

23.4

52.0

23.5

8

63.3

20.0

58.8

21.2

57.7

22.3

54.6

23.6

53.3

23.9

9

65.0

20.2

62.2

21.4

59.1

22.7

56.2

24.0

55.2

24.0

4

70.35

20.82

67.2

22.1

63.84

23.37

60.62

24.72

59.43

25.21

5

72.45

21.19

69.3

22.44

66.01

23.76

62.37

25.04

61.11

25.53

6

74.76

21.46

71.4

22.81

67.9

24.21

64.4

25.26

63

25.8

7

76.86

21.85

74.13

23.25

70.0

24.5

66.43

26.02

65.03

26.24

8

79.1

22.27

75.6

23.57

72.1

24.79

68.18

26.26

66.71

26.66

9

81.2

22.52

77.7

23.84

74.06

25.23

72.8

26.46

68.74

26.73

o

MBMAC-160A

25

Notas: 1. Grados de acuerdo con el estándar 550/590-98 de ARI. 2. Grados basados en HCFC-22, factor de suciedad del evaporador 0.0001, flujo del agua del evaporador de 2.4 gpm/ton al nivel del mar 3. Se permite la interpolación; la extrapolación no se permite. Consulte el representante de BOHN para el funcionamiento fuera de las tempreaturas mostradas.

9

Especificaciones técnicas MBMAC160A y MBMAC210A Lista de Precios MODELO

MBMAC160A

MBMAC210A

15.9 (56.0)

20.0 (70.0)

2

2

DATOS BASICOS apac a

om na

e en r am en o,, on.

No. Circuitos

R-22

Tipo de refrigerante Carga de R22por circuito, lbs (kg)

208-230v 6.55x2 / 460v 6.15x2

Dimensiones (pulg.) LxWxH

208-230v 7.5x2 / 460v 7.6x2

72x39.5x70

81x45x86.5

1820x1000x1785

2056x1140x2193

Peso Neto, lbs (kg)

1410 (640)

1650 (750)

Peso de embarque, lbs (kg)

1367 (620)

1610 (730)

Dimensiones (gabinete.)LxWxH,mm

COMPRESORES Scroll

Tipo Dispositivo de protección

Interruptor de alta y baja presión, interruptor de flujo y protección contra sobrecarga eléctrica 2

2

Número

2

2

Número Circuitos (refrigerante) por cond.

1

1

3/8 (9.52)

3/8 (9.52)

29.0 (2.7)

37.7 (3.5)

14 x 3

16 x 3

No. de Compresores CONDENSADOR

Diámetro pulg. (mm.) 2

Area de la cara sq.ft (m ) Aletas por pulgada por hileras Espesor de la aleta, pulg. (mm.)

0.0043 (0.11)

Material de la aleta

Aluminio

Tipo, Acoplamiento

Impulsor Axial/Directo

Número de aspas

2

Diámetro de aspas, pulg. (mm.)

28 (711)

Material de aspas Flujo de aire, 60 Hz, cfm (l/s)

2 Acero Galvanizado

14,120 (6670)

14,120 (6670)

EVAPORADOR Tipo Número Circuitos (refrigerante) Gasto de Agua, GPM (l/seg)

Intercambiador de calor d placas 2

2

0.24 (0.9)

0.53 (2.0)

Caído de presión de agua, pie de agua (kPa) 450 (3103)

450 (3103)

Máxima caída de presión de agua,psi (kPa)

350 (2413)

350 (2413)

41 (125)

24 (72)

Máxima caída de presión de refrigerante, psi (kPa) Material del evaporador

Acero inoxidable

Notas: 1. Para acoplamiento de unidades modulares, multiplique los datos físicos de un solo módulo por el número de módulos que desee acoplar. 2. MBMAC160A y MBMAC210 no se pueden combinar, sólo se permite el acoplamiento modular en modelos del mismo tamaño, ya sea sólo MBMAC160 o sólo MBMAC210. 3. Rangos en acuerdo con estándares ARI no. 550/590-98. 4. Todas las especificaciones sujetas cambio sin previo aviso.

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Dimensiones Chillers Modulares Lista de Precios Modelos MBMAC160A

3"

1724

1785

ENTRADA DE AGUA 343 SALIDA DE AGUA 3" 335 91

232.5

1000

1820

Modelos MBMAC210A

456.5 5"

2089

2193

ENTRADA DE AGUA SALIDA DE AGUA 5"

335

303

11

BOHN se reserva el derecho de hacer cambios en sus especificaciones, en cualquier momento, sin previo aviso y sin ninguna responsabilidad con los compradores propietarios del equipo que previamente se les ha vendido.

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Propiedades

Aplicaciones

Técnicas de Soldadura

INDICE INTRODUCCION ............ ........... ........... ......... 2 El descubrimiento del cobre.................................. 2 El cobre perdura.................................................... 2 El cobrehoy en día................................................ 2

TUBERIA DE COBRE I. TUBOS ESTANDAR .... .... .... .... .... .... .... .... .... ... 4 Tipos de tubos de cobre...........................................4 Propiedades ............................................................. 4 Identificación del tubo de cobre.............................. 4 II. SELECCION DEL TUBO CORRECTO .. .. .. .. .. .. .. .. .. . 5 Ventajas del tubo de cobre....................................... 5 Recomendaciones para las aplicaciones ................. 6 III. DATOS DE DISEÑO E INSTALACION. .. .. .. .. .. .. .. .. . 7 Dimensionamiento desistemas de presión ............. 7 Valores nominales de presión/resistencia al reventamiento ..........................................................9 Sistemas de calefacción......................................... 10 Sistemas de descongelamiento de nieve ............... 11 Sistemas de tubería de gas medicinal no combustible ........................................................... 11 Sistemas de riego y aspersión agrícola ................. 12 Sistemas deenergía solar ...................................... 13 Consideraciones generales .................................... 13

TRABAJAR CON TUBOS DE COBRE IV. DOBLADO .......... ........... ............ ........... .. 18 Consideraciones generales .................................... 18 V. ENSAMBLADO...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... 19 Introducción........................................................... 19 Conexiones ............................................................ 19 Soldaduras ............................................................. 19

Fundentes............................................................... 20 VI. JUNTAS SOLDADAS .... .... .... .... .... .... .... .... .. 21 Introducción........................................................... 21 Medición y corte ...................................................21 Escariado ............................................................... 21 Limpieza................................................................ 22 Aplicación del fundente ........................................ 22 Ensamble y soporte............................................... 23 Calentamiento........................................................ 23 Aplicación desoldadura........................................ 24 Enfriar y limpiar .................................................... 25 Pruebas .................................................................. 25 VII. JUNTAS SOLDADAS CON PLATA .. .. .. .. .. .. .. .. .. 26 Introducción........................................................... 26 Metales derelleno ................................................. 26 Fundentes............................................................... 27 Ensamble ............................................................... 27 Aplicación de calor y soldadura............................ 27 Juntas horizontales y verticales............................. 28 Remoción deresiduos ........................................... 28 Sugerencias generales ........................................... 28 Pruebas .................................................................. 28 ANEXO. SOLDADURAS CON ESTAÑO Y CON PLATA . 29 Introducción........................................................... 29 Purgado.................................................................. 29 Información general .............................................. 30

DATOS TECNICOS Tabla de conversiones............................................32 Tablas 1-11 .......................................................32-40

INTRODUCCION El descubrimiento del cobre

El cobre hoy en día

Desdequenuestrosantepasadosdescubrieronel cobre,el metal rojohaservidoconstantementeparael avance de la civilización. Al explorar antiguas ruinas, los arqueólogos descubrieron que este resistente metal resultó de gran beneficio para la humanidad. Herramientas para la artesanía y la agricultura, armas para la caza y artículos para uso doméstico y decorativo, se forjaron a partir del cobre en las primeras civilizaciones. Los artesanos que construyeron la gran pirámide del faraónegipcio Keops, moldearon tubo decobre para transportar agua hasta el baño real. Un residuo de este tubo se desenterró hace algunos años en estado aún utilizable, lo queconstituyeun testimonio de la durabilidad y resistencia a la corrosión.

En la actualidad, el tubo de cobre para instalaciones hidráulicas, calefacción y acondicionamiento del aire, se consigue en temples estirado y recocido (conocidos en el mercado como «rígido» y «flexible»), en una amplia gama de diámetros y espesores de pared. Así también accesorios prefabricados para cualquier aplicación de diseño. L as uniones son sencil las, confiables y económicas, lo que se traduce en grandes ventajas para la elección de tubería de cobre.

El cobre perdura En la tecnología moderna, al aceptar que ningún material es superior al cobre para conducir agua, se ha reconfirmado a éstecomo el material principal para tales fines. La tubería de cobre ha confirmado su reputación como material ligero, fuerte y resistente a la corrosión, con años de servicio dentro y fuera del país. Sirve para todo tipo de construcciones: residenciales, grandes edificios dedepartamentos, construcciones industriales, comerciales y de oficinas.

Ci nco mil añ os despué s de Keops, se sigu e desarroll ando el u so del cobre, hoy en día, la i ndu stria del cobre busca ampli ar l a apli cación de tubería de cobre en sistemas hi dr ául icos para nu evas in stalaciones o para remodelaci ones residencial es, edif ici os in dustri ales y comercial es.

2

1

E R B O C E D A I R E B U T

E R B O C E D S O B U T N O C R A J A B A R T

S O C I N C E T S O T A D

I. TUBOS ESTANDAR Tipos de tubos de cobre El tubo de cobre, por su durabilidad, es la mejor elección para sistemas hidráulicos, calefacción, refrigeración, etc. En México la fabricación de tubos se rige por especificaciones establecidas por la NMX Serie W, NOM y por la American Society for Testing and Materials (ASTM), las cuales constituyen la base de la información que se presenta en este manual. El tubo que se suministra de acuerdo con las normas de la ASTM está hecho con cobre de una pureza mínima de 99.90% y desoxidado con fósforo, conocido como C12200 (cobre Núm. 122) o cobre DHP*; también se usan otros tipos de cobre. La tabla1(pag. 32) identificalos tres tipos estándar de tubos de cobre y sus aplicaciones más comunes; indica tambiénla normaASTM correspondienteparacada tipo, uso, longitudes, diámetros y temples disponibles en el mercado. Los tubos tipo K, L, M y el tubo de gas medicinal se especifican por medio de diámetros estándar ASTM, con un diámetro exterior real siempre 1/8" mayor que la indicadaenel tamaño estándar. Cadatipo representa una serie de diámetros con diferentes espesores de pared. El tubo tipo K tiene paredes más gruesas que el tipo L, y las paredes del tipo L también son más gruesas que las tipo M, para cualquier diámetro dado. Los diámetros interiores dependen del tamaño del tubo y del espesor de pared. El tubo de cobre para aplicaciones en instalaciones de aire acondicionado, refrigeración (ACR) y gas natural (tipo G), se especifica mediante el diámetro exterior real. El «temple» describe la resistencia y dureza del tubo. En el mercado, el tubo estirado en frío serefiere a menudo como tubo «rígido» y el recocido como tubo «flexible». Aunque el tubo estirado también seprovee en un «temple flexible», no lo cubre la norma B88 de laASTM. Estetempleespecial de dureza y resistencia intermediaspuedeespecificarseparaaplicacionesque requieren flexionarse. El tubo rígido puedeunirse mediante soldadura común o soldadura fuerte (con plata), utilizando conexiones capilares. El tubo flexible puede unirse mediante las mismas técnicas o también por medio de conexiones tipo flare 45° y de compresión. Asimismo, es factible expandir

el extremo de un tubo de modo que pueda unirse a otro mediante soldadura común o soldadura con plata sin una conexión capilar, el cual es un procedimiento que puede resultar eficiente y económico en muchas instalaciones.

Propiedades En la tabla 2 (pag. 33), se presentan las dimensiones y otras características físicas delos tubos tipo K, L, y M. Los tres tipos se usan en aplicaciones con o sin presión dentro del rango de sus respectivas presiones de trabajo, de acuerdo con la descripción de la tabla ya mencionada. Las dimensiones y las características físicas del tubo ACR se indican en la tabla 2a (pag. 33).

Identificación del tubo de cobre El tubo de cobre tipo K, L, M y para gas medicinal, debe marcarse de manera permanente (grabarse) de acuerdo con las especificaciones que lo rigen para indicar: • Tipo de tubo •Nombre o marca comercial del fabricante •País de origen El tubo rígido, además de las marcas de grabado, lleva impresa esta información sobreun color quedistingue su tipo (tabla 1, pag. 32). Los tubos ACR flexibles solo llevan marca grabada y el tubo ACR rígido además de la marca de color, tiene la marca grabada.

* Cobre desoxidado con alt o contenido residual de fósforo

4

II. SELECCION DEL TUBO CORRECTO

E R B O C

Ventajas del tubo de cobre

E D

El tubo de cobre, por fuerte y resistente a la corrosión es, sin duda, la mejor elección de los contratistas modernos para instalaciones hidráulicas, de calefacción

y de refrigeración en edificios residenciales y comerciales. Son siete las razones principales para tal preferencia:

La combinación del manejo, maleabilidad y fácil unión permiten ahorrar tiempo, material y costos a largo plazo. Su desempeño y confiabilidad a largo plazo representan menos reclamaciones y convierte al cobre en el material ideal y económico para tuberías. 1. El cobre es económi co.

En instalaciones, la tubería de cobre que se requiere es de un espesor mucho menor que los tubos de hierro o roscados del mismo diámetro interior, por lo que cuesta menos transportarlo, es más fácil de manejar y ocupa menos espacio. 2. El cobre es li gero.

3. El cobr e es mal eable. Ya que el tubo de cobre se puede doblar y formar a la medida, se pueden

evitar, muchas veces los codos y uniones y se puede ajustar a cualquier contorno o ángulo. Con tubos flexibles se requiere mucho menos espacio en pared y techo, esto es muy importante en proyectos de renovación o modernización. Los tubos de cobre se pueden unir con conexiones capilares, las cuales permiten ahorrar material y producir uniones lisas, limpias, fuertes y libres de fugas. 4. El cobre es fácil de unir.

5. El cobre es segur o. El tubo de cobre no se quema ni mantiene la combustión, además de que

no produce gases tóxicos. Por lo tanto, no propaga el fuego a través de pisos, muros y techos. No producen compuestos orgánicos volátiles en la instalación. 6. El cobr e es conf iable. El

tubo de cobre se fabrica con una composición bien definida de acuerdo a las normas y se marca con una identificación indeleble para que el usuario sepa el tipo de tubo y quién lo fabricó. El tubo de cobre es aceptado prácticamente por cualquier reglamento para sistemas hidráulicos. Nota: No aceptetubos de cobre queno tengan identificado al fabricante en la superficie del tubo. 7. El cobre es resistente a la cor rosión. Su excelente resistencia a la corrosión y a la formación

de depósitos, asegura que el tubo de cobre ofrezca un servicio sin problemas, que se refleja en la preferencia de los clientes.

5

A I R E B U T

II. SELECCION DEL TUBO CORRECTO Recomendaciones para las aplicaciones Es responsabilidad del diseñador elegir el tipo de tubo de cobre que seusará en una aplicación en particular. Con frecuencia, la resistencia, maleabilidad y otros factorescomunesdeterminanlaelección. Losreglamentos para instalaciones hidráulicas determinan qué tipo de tubería es posible usar. Una vez tomada la decisión, es útil conocer qué tipo de tubo ha funcionado y cuál puede servir con buenos resultados de manera económica en las siguientes aplicaciones: Servicios de agua subterr áneos. Utilice el tipo M rígido para tubos rectos con conexiones y el tipo L flexible en donde sea más conveniente librar un obstáculo. Sistemas de distr ibu ción de agua. Utilice el tipo M para instalaciones subterráneas, ocultas o visibles.

Sistemas de air e acondi cion ado y refrigeraci ón.

El cobre es el material indicado para el uso de refrigerantes. Utilice el tipo ACR o los queseespecifiquen.

Sistemas de bombas té r mi cas de f uente terres-

tre. Utiliceel tipo L o ACR cuando los serpentines del

suelo se prefabrican o se ajustan en la obra, o el que se especifique. Sistemas de aspersión contr a i ncendi o. Utilice el tipo M rígido. Donde se requiere doblar el tubo, se recomienda el tipo K o L. Los tipos K, L y M son todos aceptados por la NFPA.

Conductos pr in cipales de agua r efr igerada.

Utilice el tipo M en todos los diámetros. El tipo L, donde se permite, puede utilizarse en diámetros de 11/4" y más grandes; sin embargo, las uniones deben efectuarse con conexiones a presión unidas mediante soldadura. Sistemas de drenaje y ventil ación. Utiliceel tipo M para líneas de agua residual, de suelo y de ventilación subterráneo o visible, así como para drenajes y las bajadas pluviales de techos en los edificios. Calefacción. Para paneles radiantes y calefacción por medio de agua, así como para sistemas de fusión de nieve, recurra al tipo L flexible, en el que los serpentines se forman en el sitio o se prefabrican, y tipo M, donde se utilicen tramos rectos. Para el calentamiento de agua y vapor de baja presión, utilice el tipo M para todos los diámetros. En líneas de retorno de condensado, el tipo L se utiliza con buenos resultados. Calefacción solar. Vea la sección de Calefacción. En cuanto a información sobre instalaciones y colectores solares, consulte a Procobre México. Ser vici os de petr óleo, gas L P y gas natur al.

Utilice tubos de cobre de acuerdo a los reglamentos locales. Sistemas medicinal es no i nf lamables. Utilicetubos para gas medicinal del tipo K o L, para el uso de gas medicinal deberá cumplir con las pruebas de limpieza según las normas: CGA-G-41 (Asociación deGas Comprimido), CSA-Z 3051 (Canadian Standars Association) y NFPA-99C (National Fire Protection Association). 6

III. DATOS DE DISEÑO E INSTALACION

E R B O C

Dimensionamiento de sistemas de presión

E D

El diseño de un sistema de suministro de agua con tubería de cobre implica determinar el tamaño mínimo del tubo para cada parte del sistema total, equilibrando las interrelaciones de seis parámetros principales de diseño: •Presión principal disponible. •Presión requerida en los diferentes accesorios. •Pérdidas de presión estática debido a la altura. •Consumo de agua (litros por minuto o galones por minuto) en el sistema total y en cada una desus partes. •Pérdidas de presión debido a la fricción del flujo de agua en el sistema. •Limitaciones de la velocidad basadas en el ruido y en la erosión.

Válvula de limpiezaautomática para inodoros decorte y de chorro desifón .............. 25 psi (1.75 kg/cm2) Válvulas de limpieza automática para inodoros y mingitorios .......................... 15 psi (1.05 kg/cm2) Grifo de manguera, llave de manguera e hidrante de pared ...................................... 10 psi (0.70 kg/cm2) Es posible que los reglamentos y las prácticas locales difieran delo anterior, por lo quedebeconsultarse siempre, todo lo relativo a los requerimientos de presión mínima. La presión deagua máxima disponible para alimentar a cada elemento depende de la presión de servicio hidráulica en el punto donde empieza el sistema dedistribución del edificio (un segmento o zonadeéste). Esta presión depende de la presión principal local, de los límites impuestos por los códigos locales, de la presión que deseael diseñador del sistema o de una combinación de las anteriores. En cualquier caso, la presión no debe ser mayor a 80 psi (5.62 kg/cm2). Sin embargo, la presión total del agua no siempre estádisponible en cada elemento debido a las pérdidas de presión inherentes en el sistema, las cuales incluyen: las correspondientes al flujo que pasa por el medidor de agua, las pérdidas estáticas al subir el agua a grandes alturas en el sistema, así como las pérdidas por fricción que se producen en el flujo a través de las tuberías, conexiones, válvulas y equipo. Parte de la presión de servicio se pierde de inmediato en el flujo a través del medidor de agua, si existe alguno. La presión quesepierdedependedela relación entre el flujo y el tamaño del tubo. Las curvas y las tablas de diseño que muestran estas relaciones aparecen en la mayoría de los reglamentos de modelos y pueden conseguirse con los fabricantes de medidores. Parte de la presión principal se pierde también al elevar el agua hasta el elemento más alto del sistema. La diferencia de altura semidedesdeel medidor, o cualquier otro punto querepresente el inicio del sistema (el segmento o zona) que se está considerando. Lasperdidas por fricción en el sistema, al igual que las pérdidas a través del medidor del agua, dependen fundamentalmente del flujo del agua que circula por el sistema y del tamaño de la tubería. Para determinarlas, es necesario calcular primero la demanda de agua y, consecuentemente, el flujo del sistema.

El diseño y el dimensionamiento siempre deben apegarsealosreglamentosvigentes.Sinembargo,enel análisis final, el diseño también debereflejar el juicio y los resultados de los cálculos de ingeniería; muchos reglamentos, especialmente los de diseño, incluyen datos y guías de diseño para dimensionar los sistemas de distribución de agua, así como ejemplos que muestran como se aplican. Sistemas pequeñ os. Los sistemas de distribución residenciales se pueden dimensionar por lo general sin dificultad con base en la experiencia y en los requerimientos de los reglamentos aplicables, como en los casos de otras instalaciones pequeñas similares. En tales situaciones, no es necesario el estudio detallado de los seis parámetros de diseño anteriores. En general, las tuberías principales que alimentan las líneas de distribución pueden dimensionarse de la manera siguiente: •Una tubería principal de 1/2" puede alimentar hasta tres líneas de 3/8", •Una tubería principal de 3/4" puede alimentar hasta 3 líneas de 1/2" y •Una tubería principal de 1" puede alimentar hasta 3 líneas de 3/4". El dimensionamiento de sistemas de distribución más complejos requiere un análisis detallado de cada uno de los parámetros que se enlistaron anteriormente. Presión. En cada elemento del sistema de distribución debe haber una presión mínima de 8 psi (0.56 kg/ cm2) para que éste funcione de manera adecuada, salvo en los casos de que algunos requieran una presión mínima mayor para su correcta operación, por ejemplo: 7

A I R E B U T

III. DATOS DE DISEÑO E INSTALACION Demanda de agua. Cada elemento en el sistema

de la carga que la combinación de elementos produce en el sistema hidráulico y en el sistema de alimentación. Este total de unidades de elemento puede traducirse en una demanda de agua máxima esperada que sigue el procedimiento preestablecido por su reglamento local. Tenga presente que los cálculos de demanda que acaban de describirse, se aplican a elementos que se usan de manera intermitente. A esto debe añadirse la demanda real en lpm para cualesquiera de los elementosquesediseñanparaoperardemaneracontinuacuando seestán utilizando; por ejemplo, los sistemas de aire acondicionado, los sistemas de riego en jardines y las conexiones de manguera. Pé rdidas de presión debi do a l a f r icción. La presión disponible para llevar el agua a través del sistema de distribución (o una parte de éste) es la presión principal menos: 1.La pérdida de presión en el medidor. 2.La presión necesaria para elevar el agua hasta el elemento más alto (pérdida de presión estática). 3.La pérdida de presión en las conexiones.

representa cierta demanda de agua. A continuación se muestran unos ejemplos de la demanda de agua aproximada en litros por minuto (lpm): WC con fluxómetro................. 30.00 Mingitorio con fluxómetro...... 30.00 WC Tanquebajo ...................... 15.00 Mingitorio Llave...................... 9.00 Regadera ................................ 12.00 Fregadero................................. 12.00 Lavadero.................................. 12.00 Bidet ....................................... 9.00 Lavabo..................................... 6.00 Al agregar números como los anteriores para cubrir todos los elementos en un sistema de distribución del edificio completo, se obtendría la demandatotal de consumo de agua en lpm, si todos los elementos operaran al mismo tiempo, lo cual, desde luego, no ocurre. Una estimación razonable de la demanda se basa en el grado en el quevarios muebles del edificio podrían realmente utilizarseen forma simultánea. L os investigadores en el Instituto Nacional de Normas y Tecnología de los Estados Unidos estudiaron este asunto hace algunos años; aplicaron la teoría de probabilidad y observaciones de campo al problema de la vida real del uso simultáneo de elementos de instalaciones hidráulicas. El resultado fue un sistema para estimar la demanda total de agua quese basa en suposiciones razonables acerca de la probabilidad del uso simultáneo de muebles. De este estudio proviene el concepto de unidades mueble. A cadatipo de mueble sele asigna un valor de unidad de mueble que refleja: 1.Su demanda de agua, esto es, el flujo en el mueble cuando éste se utiliza. 2.La duración de tiempo promedio del flujo cuando se emplea el mueble. 3. Lafrecuenciaconlaqueprobablementeseuseelmueble.

La presión disponiblequequedadebeadecuarse para superar las pérdidas de presión debido a la fricción que encuentra el flujo de la demanda total (elementos de uso intermitente más continuo) a través del sistema de distribución y sus diversas partes. L a operación final consiste entonces en elegir los diámetros de los tubos de acuerdo con las pérdidas de presión debidas a la fricción. En la práctica real, la operación de diseño quizás requiera repetir los pasos para reajustar la presión, velocidad y tamaño, con el fin dealcanzar el mejor balance de la presión principal, el tamaño del tubo, la velocidad y la presión disponible en los elementos, de acuerdo con el flujo de diseño que se requiere en las diferentes partes del sistema. La tabla 5(pag. 36-37) muestra la relación entre el flujo, la caída de presión debido a la fricción, la velocidad y el tamaño del tubo decobre para agua, tipo K, L y M. Estos son los datos que se requieren para completar el cálculo del dimensionamiento. Para diámetros detubo por arriba de 1/4", casi no hay diferencia entre los tres tipos de tubo en términos de las pérdidas de presión, lo cual se debe a que la diferencia en el área la sección transversal de estos tipos se vuelve insignificante a medida que aumenta el tamaño del tubo.

Los valores deunidadmueble asignados varían en cada región. Consulte los valores que se utilizan en los reglamentos hidráulicos locales. El total de los valores de unidad de elemento para todos los elementos en el sistema, o para cualquier parte del sistema de distribución, representa una medida 8

E R B O C

III. DATOS DE DISEÑO E INSTALACION Para el tubo de cobre, debido a la resistencia superior a la corrosión deestematerial, el código V31 permite que el factor C sea 0, así la fórmula se vuelve:

Los valores de pérdida depresión enlatabla5(pag. 36-37) se dan en kg/cm2 por metro de tubería, de acuerdo al tipo de tubo y diámetro nominal. Al medir la longitud de un sistema o de cualquiera de sus partes, debe medirse la longitud total de tubo, y para estimaciones cercanas, debe considerarse un valor adicional como tolerancia relativa a las pérdidas de fricción que ocurren como consecuencia de las válvulas y las conexiones en la línea. La tabla 6 (pag. 38) muestra estas tolerancias para diversos diámetros, tipos de válvulas y conexiones. Use velocidades inferiores a 2.5 mts por segundo cuandolastemperaturasexcedanlos60°C y en los casos en que se recurra a tubos con diámetros de 1/2" y valores menores para protegerlo contra la turbulencia local de alta velocidad debida a errores humanos (por ejemplo, protuberancias en los extremos de los tubos que no se escarearon de manera adecuada o un número inusual de cambios abruptos en la dirección deflujo). Lascondicioneslocalmenteagresivasdel aguapuedencombinarsecon estas dos consideraciones y producir problemas de erosión, si las velocidades son demasiado elevadas. La tabla 5 (pag. 36-37) aplica sólo para tubos de cobrey no debeutilizarsecon otros materiales hidráulicos. Otros materiales requieren tolerancias adicionales para la corrosión, incrustaciones y picaduras que no son necesarias en el caso del cobre. Lo anterior se debe a queel cobre mantiene por lo general unasuperficie interna lisa a lo largo de su vida de servicio.

P=

El valor de S en la fórmula es la resistencia de diseño permisible (ASME B31) para servicio continuo a largo plazo del material del tubo. Ésta es sólo una pequeña fracción de la resistencia a la tensión final del cobre o de la resistencia al reventamiento del tubo de cobre. Muchos años deexperiencia, de servicio y pruebas han confirmado su seguridad. El valor del esfuerzo permisible depende de la temperatura de servicio y del temple del tubo, estirado o recocido. En la tabla 2b (pag. 34-35), las presiones de traba jo internas nominales semuestran parael tubo decobre flexible y rígido, tipo K, L y M, en el caso de temperaturas de servicio de 10° a 205°C. Los valores nominales para el tubo estirado pueden utilizarse en sistemas soldados y en sistemas que utilizan uniones mecánicas diseñadas de manera correcta. Algunos fabricantes de conexiones proporcionan información acerca de la resistencia de estos últimos. Cuandoseusasoldaduracomúnosoldaduraconplomoparaunir tubos,debenconsiderarselosvaloresnominales de recocido; el calor utilizado en estos procesos de unión podría recocer (ablandar) el tubo rígido. Por esta razón, los valores nominales recocidos sepresentanen la tabla 2b (pag. 34-35) para el tipo M y para tubos ACR. Al diseñar un sistema hidráulico, también es necesario considerar los valores nominales de las uniones, debido a que el menor de los dos valores nominales (tubo o conexión) definirá la instalación. La mayor parte de los sistemas de tubería se unen mediante soldadura común o soldadura con plata. En la tabla 3 (pag. 35) se presentan las presiones de trabajo interno nominales para tales uniones. Estos valores nominales son para tubos tipo K, L y M con conexiones a presión unidas por soldadura estándar. En sistemas de tubos soldados, la resistencia nominal de la unión muchas veces la define el diseño de la instalación. En el caso de la soldadura con plata recurra a los valores del tubo recocido que se encuentran en la tabla 2b (pag. 34-35), ya que al soldar con plata se ablanda

Valores nominales de presión/resistencia al reventamiento Como en el caso de todos los materiales, la presión interna permisible para cualquier tubo de cobre en servicio se basa en la fórmula utilizada en el código de la American Society of Mechanical Engineers para tubería a presión (ASME B31): donde: P=

2St mi n D ma x –0. 8tm in

2S (t mi n –C) D ma x –0. 8( tm in– C)

P = presión permisibl e (psi) S = máximo esfuerzo permisi ble por tensión (psi) tmin = espesor míni mo de la par ed (pul gadas) Dmáx = diámetr o exterior ( pulgadas) C = una constante 9

E D A I R E B U T

III. DATOS DE DISEÑO E INSTALACION (recuece) el tubo cerca de las uniones (la zona afectada por el calor). Los valores nominales de las uniones a temperaturas de vapor saturado se muestran en latabla3(pag. 35). La presión a la cual el tubo decobre estallaría, es 5 veces más que la presión de trabajo nominal. Compare los valores reales de la tabla 2b (pag. 34-35) con las presiones de trabajo nominales que se encuentran en la tabla 2 (pag. 33). Los valores nominales de presión de trabajo muy conservadores proporcionan una seguridad adicional en cuanto a quelos sistemas presurizados operarán exitosamente durantelargos periodos. Laspresiones de reventamiento mucho mayores que se miden en las pruebas, indican que los tubos son capaces de soportar variaciones de presión impredecibles que ocurren durante la larga vida del sistema en servicio. Se aplicaron principios conservadores similares al llegar a las presiones de trabajo de uniones soldadas con plata y con soldadura común. Los esfuerzos permisibles para las uniones con soldadura común aseguran la integridad de la unión bajo carga nominal máxima en periodos extendidos de tiempo. La resistencia a corto plazo y las presiones de reventamiento para uniones soldadas de manera común son muchas veces superiores. Además, los márgenes de seguridad se multiplicaron al calcular las intensidades de la unión.

Los sistemas de calefacción de agua caliente y circulación a presión proporcionan un calentamiento uniforme y una respuesta rápida a cambios en la carga de calefacción, requieren poco mantenimiento y es posible dividirlos fácilmente por zonas para ofrecer diferentes niveles de temperatura en los edificios. Estos sistemas utilizan diámetros de tubo más pequeños y económicos con uniones soldadas y requieren poco espacio de instalación. Además, en combinación con el sistema decalefacción, donde lo permitenlos reglamentos, el agua caliente habitacional puede calentarse de manera directa, lo que elimina la necesidad de un calentador de agua independiente. L íneas de retor no de calentami ento por vapor.

En sistemas de calefacción por vapor, en especial las líneas de retorno, las características sobresalientes de resistencia a la corrosión y de antioxidación del tubo de cobre aseguran el servicio y mantenimiento sin problemas de trampas, válvulas y otros dispositivos. En líneas de retorno de condensado y de agua caliente, se recomienda que los últimos 60 cms sea el doble del tamaño que el resto de la línea, por ejemplo, si la línea de retorno es de 1", hay que aumentarla a 2". Calefacci ón por medio de paneles radian tes.Una aplicación moderna de un principio antiguo, es la calefacción por medio de paneles radiantes y que, puede utilizarse con buenos resultados en los diferentes tipos de estructura. En los sistemas de paneles, el agua caliente,abajatemperatura,circulaatravésdeserpentines o mallas de tubo de cobre, que ahogadas en un piso de concreto o en un techo de yeso, calientan las superficies y el aire. Los sistemas depaneles ofrecen una calefacción uniforme, una fuente térmica invisible para el uso completo del área del piso, son de fácil limpieza y eliminan las corrientes de aire que conducen polvo. El tubo decobre es el material ideal para paneles de piso y techo, debido a su bajo peso, longitudes, resistencia ala corrosión, y facilidad deflexión, unión y manejo. El tubo flexible en serpentines se usa en recorridos de calefacción sinuosos, puesto que se dobla fácilmente y las uniones se reducen a un mínimo. El tubo rígido se utiliza para tuberías principales, tubos ascendentes, calefactores y serpentines de calefacción tipo rejilla. La ubicación del panel decalefacción no es relevante para la comodidad de los ocupantes de la habitación, aunque depende de la arquitectura y las características

Sistemas de calefa cción El tubo de cobre es popular en los sistemas de calefacción tanto en edificios nuevos como en los remodelados. Los contratistas han aprendido a través de la experiencia que, considerando todos los factores, el tubo de cobre sigue siendo superior a cualquier otro material sustituto. Las ventajas del tubo decobre: peso ligero, selección detemple, confiabilidad a largo plazo, facilidad de unión, flexión y manejo son de importancia fundamental. Por ejemplo, para el caso en que son importantes la rigidez y la apariencia, se recomienda el tubo rígido. El tubo flexible resulta particularmente adecuado para panelesdecalefacción, fusióndenieveeinterconexiones cortas entre radiadores, con líneas y dispositivos similares. Con tubos ya sea recocidos o flexibles (vea tubos normalizados), la necesidad de conexiones se reduce a un mínimo, ahorrando de manera considerable el traba jo y el material de instalación. 10

III. DATOS DE DISEÑO E INSTALACION térmicas de la misma. L as instalaciones depiso tienen la ventaja de un costo inicial bajo y resultan particularmente adecuadas para garajes, escuelas e iglesias; por lo general, se diseñan para operar a una temperatura máxima de 32°C en la superficie. Con una temperatura mayor, los ocupantes pudieran sentirse incómodos. Los paneles de techo pueden operarse a temperaturas de superficie y niveles de salida térmica más altos que los paneles de piso. Los paneles de calefacción responden con rapidez a los cambios en la carga térmica, tienen un almacenamiento térmico bajo y sólo requieren un sistema de control simple. Los diámetros delos tubos delos serpentines térmicos afectan de manera significativa la hidráulica del sistema de calefacción, y no son relevantes, desde el punto de vista de la emisión térmica del panel. En serpentines de piso sinuoso de 3/8", 1/2" y 3/4", se usa por lo general tubo flexible con un espaciamiento @ de 9" o 12". En instalaciones de panel de techo, los serpentines sinuosos se forman con tubos flexibles de 3/8", @ de 4" o 6". Por lo general, se usan uniones soldadas.

anillos de serpentín y para los de rejilla; el temple rígido es mejor para los anillos de rejilla grandes y para los conductos principales. El tubo flexible facilita la instalación de anillos serpentines debido a la mayor longitud por sección y a su flexibilidad, las cuales reducen el número dejuntasal mínimo. La temperaturadela solución quepasa por los anillos para derretir la nieve, debe ser de 49°C a 55°C. Para obtener un efecto térmico de 100 BTU/hr ft2 para derretir la nieve con un tubo de cobre espaciado a 30 cm en concreto (o 25 cm en la capa de asfalto) se necesitará un máximo de 42.5 mts de tubo de 1/2" u 85 mts de tubo 3/4". Para lograr una transferencia de calor de 200 BTU/hr ft2 de área de nieve, se necesitará un máximo de 18 mts de tubo de 1/2" o 45 mts de tubo de 3/4". En el concreto se debe colocar el tubo cerca de 11/4" a11/2" debajo de la superficie y se debe reforzar con una malla de alambre. En asfalto, el tubo se debe cubrir con una capa de asfalto de un espesor mínimo de 11/2". El tubo se debe poner con cuidado en grava compactada, piedra triturada o base de concreto. Se debe dejar un espacio libre para el movimiento lateral donde el tubo entra y sale del concreto o asfalto. Los mismos tipos de calefactores y bombas de recirculación disponibles para instalaciones de calefacción radiante pueden usarse para los paneles de descongelamiento de nieve. Los paneles también se pueden conectar a un sistema de calefacción de espacio de un edificio, si el sistema tiene suficiente capacidad para la cargaadicional, se deben tomar las medidas adecuadas contra el congelamiento.

Sistemas de descongelamiento de nieve Los sistemas para derretir nieve, instalados en paseos, calzadas, plataformas de carga y otras áreas pavimentadas, son medios eficientes y económicos para el retiro de la nieve, aguanieve e hielo. Para calentar la superficie, sehace circular unasolución de 50% aguay 50% de anticongelante (del tipo glicol de etileno), a través del tubo de cobre empotrado en la capa de concreto o de asfalto. Se pueden lograr ahorros considerables en instalaciones de plantas industriales que disponen de fuentes de calor residual. En general, la instalación de anillos para derretir nieve es similar a la de los anillos de calefacción de paneles de piso. La selección de un patrón sinuoso o de rejilla para cualquier sistema depende en gran parte de lascondiciones deforma, tamaño e instalación. Las re jillas son ideales para áreas cuadradas y rectangulares; los serpentines seprefieren por lo general paralasáreas irregulares. La pérdida menor de presión con una configuración de rejilla permite el uso de tubos de diámetros más pequeños ahorrando costos en el material. Un mayor ahorro se logra a menudo con una combinación de anillos de serpentín y de rejilla. El tubo de cobre flexible es conveniente para los

Sistemas de tubería de gas medicinal no combustible Las normas de seguridad para el oxígeno y otros gases medicinales requieren el uso de tubos de cobre tipo K o L. Se tienen que cumplir unos requisitos especiales de limpieza, ya que el oxígeno bajo presión puede causar la combustión espontánea de algunos aceites orgánicos (el residuo de aceite delubricación usado durante la fabricación del tubo), y para la seguridad de los pacientes que reciben gases medicinales. Los fabricantes deben suministrar los tubos de cobre para las líneas de gas medicinal en excelentes condiciones,limpios,tapadosoencapsulados.Sedebetener cuidado cuando se quitan los casquillos y se instala el 11


III. DATOS DE DISEÑO E INSTALACION tubo para prevenir la contaminación del sistema. El instalador debe cerciorarse, al igual que el departamento de inspección, que se hayan cumplido los requisitos de limpieza del reglamento.

cadmio, que cuando se cali enta dur ante la apli ca- ción puede producir hu mos tóxicos).

•Durante el proceso de soldar, se debe purgar el sistema de manera continua con nitrógeno seco y libre de aceite para prevenir la formación de escamas dentro de la tubería. La purgase debe mantener hasta quela junta esté fría al tacto. •Se debe limpiar el exterior de todos los tubos, juntas y conexiones con agua caliente después del ensamble para quitar cualquier exceso de fundente y permitir una inspección visual clara de las conexiones soldadas. •Se debe efectuar una inspección visual de cada junta soldada para asegurar que la aleación ha fluido totalmente alrededor de la junta en la unión del tubo con la conexión. Donde se haya usado fundente, asegúrese dequeel residuo de fundente solidificado no haya formado unsello temporal quepodría retener la presión de prueba. 3.Las juntas roscadas en sistemas de tubería deben estañarseosellarseconcintadepolitetrafluoroetileno (cintateflón) u otro sellador apropiado para servicios deoxígeno. Los selladores se debenaplicar sólo a las roscas macho.

I nstal aci ón y pr ueba de los sistemas de tu bería de gas medici nal

1.Antes de la instalación, toda la tubería, las válvulas, las conexiones y los otros componentes para los sistemas de gas medicinal no combustible, se deben limpiar por completo, de aceite, grasa y otros materiales fácilmente oxidables, como si se preparara para un servicio de oxígeno. Se tendrá especial cuidado en el almacenamientoy manejo. Dichosmaterialessedeben encapsular o tapar para prevenir que se contaminen de nuevo antes del ensamble final. Y justo antes del ensamblefinal, sedebeexaminarel interiordel material para asegurarse queno esté contaminado. •Los materiales se pueden preparar en unainstalación equipada para limpiarlos, lavarlos y purgarlos, o se pueden preparar en sitio. No se debe utilizar el tricloroetileno en ninguna operación de limpieza en sitio, y el tetracloruro decarbono en ningunalimpieza en general. •Los materiales preparados en el sitio del trabajo se deben limpiar en una solución de un limpiador alcalino, como carbonato desodio o fosfatotrisódico, y agua caliente (proporción de 1/2 kg por 12 litros de agua). Tal vez sea necesario limpiar el material con un cepillo para asegurar una limpieza completa. Después de lavarse, los materiales se deben enjuagar por completo en agua caliente y limpia. 2.Todaslasjuntasdetuberíasoldadasconplatasedeben efectuar usando materiales de relleno. •Para las juntas de cobre con cobre se debe usar un metal de relleno, cobre fosforado (serie BCuP) sin fundente. •La soldadura entre metales diferentes, como cobre y plata, se debe efectuar usando un fundente apropiado con un metal de relleno de cobre fosforado (serie BCuP) o unodeplata(serie BAg). Apliqueel fundente con moderación sólo al tubo limpio, de manera que evite dejar cualquier exceso dentro de las conexiones terminadas. Es aceptable el uso de barras que ya llevan un fundente para la soldadura con plata.

Sistemas de riego y aspersión agrícola Los sistemas de riego son una necesidad en áreas agrícolas áridas y los de aspersión se están usando cada vez más para mantenimiento de áreas verdes. Sin importar el tipo o tamaño del sistema, muchas instalaciones exitosas certifican que el cobre es el material ideal para la tubería de estos sistemas. Con ayuda delas gráficas de caída de presión en función de la velocidad, que se muestran en la tabla 5 (pag. 36-37), y de las instrucciones contenidas en el manual de los fabricantes de bombas y aspersores, los instaladores pueden diseñar un sistema de riego con tubos de cobre para césped, sembradíos o campos de golf. Las líneas del sistema sedeben colocar a unaprofundidad considerable para evitar algún daño mecánico a causa de las herramientas y deben de perforarse para drenar libremente. Donde existe el peligro de un congelamiento, el sistema debe instalarse con una profundidad necesaria que no le afecte el frío extremo. La expansión y contracción no deben ser un problema mientras las líneas no estén ancladas de manera rígida.

(N OTA: Asegur e un a venti laci ón adecuada. Al gu- nos metales de relleno de la ser ie BAg conti enen 12


E R B O C

Sistemas de energía solar

E D

Los sistemas de energía solar para calentar el agua doméstica y para la calefacción de espacios se basan en agregar un colector al sistema de calefacción para capturar la energía solar. Por lo general, esto implica simplemente extender el sistema de calefacción hasta el techo de la casa, en donde se le incorpora un colector solar. El cobre es el material ideal para sistemas de energía solar porque: • Tiene la mejor conductividad térmica de todos los metales de ingeniería. •Es altamente resistente a la corrosión atmosférica y acuosa. •Es fácil de fabricar y de ensamblar al soldarlo. •Es utilizado para los sistemas hidráulicos y para los techos desde que se empezaron a usar metales para ese tipo de aplicaciones.

nes de trabajo: L ir as de dil atación. El tubo de cobre, como to-

dos los materiales de tubería, se dilata y contrae con los cambios de temperatura. Por lo tanto, en un sistema de tubería de cobre sujeto a excesivos cambios de temperatura, una línea larga tiende a colapsarse o doblarse cuando se dilata a menos que, se haya construido con una compensación dentro del sistema. También pueden ocurrir severos esfuerzos en las conexiones. Tales esfuerzos, colapsos o dobleces seprevienen usando juntas de expansión o instalando compensaciones, doblados en «U», serpentines o arreglos similares en el ensamble de tuberías. Estos segmentos de tubo de formaespecial pueden asimilar las dilataciones y contracciones sin esfuerzo excesivo. Cuando las tuberías de cobre conducen fluidos a temperaturas diferentes a las del medio ambiente sufren este fenómeno, por lo que se debe considerar y prevenir durante sucolocación y fijación (ya sean empotradas o visibles). Primeramente se observa cuánto se dilata o contrae la tubería; si este movimiento no es excesivo se preverá su fijación y aislamiento, y cuando éste sea mayor, se diseñará la curva de dilatación que contrarreste el movimiento. El coeficiente de dilatación térmica del cobre es del 16.5 x 10-6 m/ºC de 20ºC a 100ºC, lo que significa que un metro de tubo se alarga 1.650 mm, cuando su temperatura aumenta 100ºC, por lo tanto, es necesario tomar en cuenta este factor en el montaje de tuberías de cobre. Las variaciones de longitud se obtienen de la siguiente fórmula:

Las ventajas térmicas del cobre se reflejan en que unas láminas más delgadas de cobre pueden acumular la misma cantidad de calor que la mayoría de las láminas de aluminio o acero de un calibre mucho mayor, por lo que, los tubos de cobre de un colector pueden espaciarse más. La resistencia del cobre a la corrosión atmosférica está demostrada por su aplicación en techos y botaguas, a menos que sea atacado por los gases deescapede óxido del sulfuro o de nitrógeno de instalaciones o industrias de proceso. El cobre ha soportado décadas -incluso siglos- de exposición a la intemperie. De igual manera, el cobre resiste la corrosión por agua caliente. Si los tubos están dimensionados e instalados correctamente para mantener el flujo por debajo de 2.5 mts por segundo, los sistemas de tubería de cobre para agua caliente son prácticos y cien por ciento resistentes a la corrosión. La facilidad con queseensamblan los sistemas hidráulicos de cobre con soldadura, está más que reconocida, al igual que los fabricados de lámina de cobre por su facilidad y simplicidad.

DL

= 0.0017 x

L

x

t

donde: DL = vari ación de longitud (mm) L = longitud ini cial del tubo (mm) t = dif er encia de temper atura (ºC)

Se considera como diferencia de temperatura, la que existe entre la temperatura ambiente en el momento del montaje y la temperatura máxima de servicio. Dado que en una instalación de agua caliente o de calefacción es improbable que el agua circule a más de 80ºC y que la temperatura de la tubería fuera de servi-

Consideraciones generale s En un manual de este tipo no es posible cubrir todas las variables que un diseñador de sistemas hidráulicos deberá considerar. Sin embargo, los siguientes temas pueden ser de gran ayuda para elaborar especificacio13

A I R E B U T

III. DATOS DE DISEÑO E INSTALACION Dilatación lineal del tubo de cobre 16.5 x 10 -6 /ºC. La dilatación térmica del cobre es de aproximadamente vez y media ∆ºC

Longitud del tramo en metros 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

10

0.165

0.330

0.495

0.660

0.850

0.990

1.115

1.320

1.485

1.650

20

0.330

0.660

0.990

1.320

1.650

1.980

2.310

2.640

2.970

3.300

30

0.495

0.990

1.485

1.980

2.475

2.970

3.465

3.960

4.455

4.950

40

0.660

1.320

1.980

2.640

3.300

3.960

4.620

5.280

5.940

6.600

50

0.825

1.650

2.475

3.300

4.125

4.950

5.775

6.600

7.425

8.250

60

0.990

1.980

2.970

3.960

4.950

5.940

6.930

7.920

8.910

9.900

70

1.155

2.310

3.465

4.620

5.775

6.930

8.085

9.240

10.395

11.550

80

1.320

2.640

3.960

5.280

6.600

7.920

9.240

10.560

11.880

13.200

90

1.485

2.970

4.455

5.940

7.425

8.910

10.395

11.880

13.365

14.850

100

1.650

3.300

4.950

6.600

8.250

9.900

11.500

13.200

14.850

16.500

cio (temperatura ambiente en el interior) sea inferior a 20ºC, se puede aplicar para esteintervalo de temperaturas la siguiente regla: la dilatación deun metro de cobre será, aproximadamente de un milímetro. Como las tuberías están expuestas a variaciones de temperatura, deben estar sujetas adecuadamente, de manera que se puedan dilatar y contraer con los cambios de temperatura. Esto se logra fijando las tuberías mediante abrazaderas, evitando empotramientos rígidos. La tabla 7 (pag. 38) indica los radios necesarios para las liras de dilatación, descritos con la figura 1. Laslongitudescompensadasdedilataciónsepuedenestimar con la tabla 7. Alternativamente, la longitud necesaria de tubo en un codo de dilatación o de compensación se puede calcular con la fórmula: 1 L= 12

( ) 3E P

1/2

( d oe )

Para tubo de cobre recocido: E = 17.000.000 psi P = 6.000 psi

Así, la longitud desarrollada por L es: 1/2 L = 7,68 (d e) o

Soportes de tubos. Debido a su rigidez se prefiere

el tubo rígido para tubería expuesta. A menos que se indique de otra manera, el tubo rígido requiere un soporte para líneas horizontales con intervalos aproximadamente de 2.4 mts para diámetros de 1" y menores, e intervalos de 3 mts para diámetros más grandes. Laslíneasverticales sesoportan, por lo general, en cada piso o en intervalos aproximadamente de 3 mts, pero para las líneas largas que tienen considerados los mantenimientos usuales para la dilatación y la contracción, los anclajes pueden estar separados por varios pisos, siempre quehaya forros o dispositivos similares en todos los pisos intermedios para restringir el movimiento lateral; ver figura 2. El tubo de temple recocido en serpentines permite corridas largas sin juntas intermedias. Las líneas verticales detubo de temple recocido se deben apoyar por lo menos cada 3 mts y las horizontales, por lo menos cada 2.4 mts. Resistenci a a la compr esión. Las pruebas realizadas colocando una barra de acero redonda de «3/4" en ángulo recto a través de un tubo de cobre recocido

1 /2

donde: L = longitud desarroll ada en el codo de dil atación o

E= P= do= e=

compensación (pi es), ver tabla de conversiones (pag. 32), como se muestra en la tabla 7 (pag. 38) módulo de elasticidad del cobre (psi) esfuerzo permi sible del materi al fl exionado (psi) diámetro exteri or del tubo (pul gadas) cantidad de dil atación a ser absorbi da (pulgadas) 14


E R B O C

Figura 1. Liras de dilatación

E D

L

R

L

(a) Omega 2 πR=L

R

R

de 1"», y después ejerciendo presión hacia abajo, revelaron que, incluso con esta carga severa en un punto de contacto, se requirieron 318 kg para comprimir el tubo a un 75 por ciento de su diámetro original. Las tuberías de 2", debido a su mayor espesor de pared, resistieron más peso antes de comprimirse. El reglamento de instalaciones hidráulicas señala que para su correcta instalación, deberán rellenarse por completo todas las excavaciones lo más pronto posible, después de la inspección. Las zanjas se deben rellenar primero con 30 cm de tierra limpia apisonada, la cual no debe contener piedras, cenizas u otros materiales que puedan dañar el tubo o causar corrosión. Se puede usar equipo como niveladoras y graduadores para terminar derellenar.Sedebentomarlasprecaucionesconvenientes para asegurar la estabilidad permanente del tubo puesto en un relleno de tierra húmeda. Golpe de ari ete. Es el término que seusa para describir las fuerzas destructivas, ruidos de martilleo y vibraciones que se desarrollan en cualquier sistema hidráulico cuando el líquido que fluye es detenido de

Apilado de tubos Unión soldada

Losa de entrepiso Brida de latón en techo

L

(c) Codos de compensación

manera abrupta por una válvula de cierre. Cuando ocurre un golpe de ariete, una onda expansiva de alta presión reverbera dentro del sistema de tubería hasta que toda la energía se haya convertido en pérdidas de fricción. El ruido y los picos de presión excesivos, se pueden evitar al agregar unacámara deaire o un dispositivo de supresión de picos al sistema. En ramales con un solo elemento de consumo, el supresor se debe colocar inmediatamente arriba de la válvula del elemento. En ramales de múltiples elementos, la ubicación indicada para los supresores será en el ramal que alimenta al grupo de elementos, entre los dos últimos tubos de alimentación. Presión de colapso del tubo de cobre. El aumento creciente del uso de tubos de cobre y sus aleaciones en condensadores, calentadores de agua y otros dispositivos de transferencia decalor para líneas deagua, gas, fluidos, y muchas otras aplicaciones de ingeniería donde exista una presión diferencial entre los lados opuestos de la pared del tubo, crea la necesidad de obtener datos precisos en relación con las presiones de colapso; ver tabla 4 (pag. 35). Congelación. El tubo flexible puede resistir la dilatación del agua helada varias veces antes de reventarse. Bajo prueba, se ha congelado el agua dentro de un tubo flexible de «1/2 "seis veces y dentro de uno de 2" once veces». Este es un factor de seguridad vital que favorece el tubo suave para los servicios subterráneos de agua. Sin embargo, no significa que las líneas de aguadetubodecobresedebansujetar acongelamientos. Corrosión. El tubo de cobre para agua es resistente ala corrosión. Es poco usual quelas aguas o las condiciones especiales sean corrosivas para el tubo de cobre; cuando así sea, se deben identificar y tratar. Desde los años cincuentas, se han producido miles de toneladas de tubo de cobre para sistemas hidráulicos, de las cuales el 80% se han instalado en sistemas de distribución de agua. Los escasos problemas de co-

Figura 2.

Brida de latón en piso

(b) Rizo o serpentín 2 πR=L

Aislante Unión soldada

15

A I R E B U T

III. DATOS DE DISEÑO E INSTALACION rrosión por causa de agua agresiva, agravados posiblementepor malos diseños o mano de obra deficiente, se deben analizar en el contexto de estos registros. Cuando ocurren problemas de corrosión, se deben, por lo general, a algunas de las siguientes causas: 1.Agua de pozo dura y agresiva, que causa picaduras. 2.Agua ácida o suave, queno permite que seforme una película protectora dentro del tubo de cobre. 3.Diseño o instalación del sistema que provoca una velocidad excesiva del flujo de agua o turbulencias en el tubo. 4.Mano de obra ineficiente. 5.Fundente excesivo o agresivo. 6.Condiciones agresivas del suelo.

mármol o de piedra caliza. La velocidadexcesiva del agua causacorrosión por erosión o ataca el material por el golpeteo del agua en los sistemas hidráulicos. Como se explicó en el tema sobre el dimensionamiento del sistema a presión para evitar problemas de corrosión por erosión (y ruido), la velocidad del agua en un sistema hidráulico no debe exceder de 1.5 a 2.5 mts por segundo (el limite inferior aplica para diámetros más pequeños de tubo). Los efectos de la velocidadse puedenagravar si el agua es químicamente agresiva debido al pH o al contenido de gas como se ha mencionado anteriormente; o si el flujo arrastra sólidos (sedimentos). La combinación de una velocidad que por sí sola es aceptable, y de una química del agua que es algo agresiva, causa a veces problemas que no existirían si estuviera presente nada más una de las dos características. La corrosión por erosión tambiénsepuedeagravar por un trabajo mal hecho. Por ejemplo, las rebabas de jadas en los extremos cortados del tubo pueden alterar el flujo del agua, y causar turbulencias locales y una velocidad alta del flujo, provocando una corrosión por erosión. Cuando los compuestos del azufre de la escoria de cualquier tubo de metal entra en contacto con el agua, estásujeto a un ataque por el ácido que se produce. Bajo tales circunstancias, el tubo debe aislarse de la escoria con una barrera inerte contra la humedad, una envoltura de cinta aislante, un recubrimiento de una pintura de asfalto, o con cualquier otro material aprobado. A excepción de algunos casos, los suelos naturales no atacan el cobre. Vibración. El tubo de cobre puede aguantar los efectos dela vibración cuando se diseña el sistema cuidadosamente. Al instalar sistemas que son sujetos a vibraciones, se verificará que queden libres de esfuerzos residuales producidos por un doblado o una alineación defectuosa. Los esfuerzos residuales junto con vibraciones pueden ocasionar rupturas por fatiga, en dobleces y conexiones, donde dichos esfuerzos se introdujeron al sistema. Durabilidad. Bajo condiciones normales, una tubería de cobre para agua, diseñada e instalada de manera correcta, perdura fácilmente toda la vida útil de un edificio y durante toda su existencia, funcionará igual que cuando fue instalada.

Las aguas agresivas que causan picaduras se pueden identificar por medio de un análisis químico y se pueden tratar para que su composición quededentro de los límites aceptables. Como característica tienen una gran cantidad total de sólidos disueltos (t.d.s.) incluyendo sulfatos y cloruros, un pH en el rango de 7.2 a 7.8, alto contenido de bióxido de carbono (CO2) (sobre 10 partes por millón, ppm) y la presencia de oxígeno disuelto (D.O.) Una persona calificada en el tratamiento de aguas puede establecer un método para revertir el agua agresiva, con el objetivo de no dañar los materiales del sistema hidráulico. En general, esto implica elevar el pH y combinar o eliminar el gas CO2. Algunas veces la simple aeración del agua, por ejemplo, rociarla en cielo abierto, es un tratamiento suficiente. La corrosión también puede causarse o intensificarse, por un trabajo de mala calidad que deja cantidades excesivas de fundente residual agresivo dentro del tubo después de la instalación. Si se han sobrecalentado las juntas durantela instalación y el exceso de fundente residual se ha polimerizado, el problema de la corrosión puede empeorar. Las aguas ácidas suaves pueden causar el problema molesto de manchar los accesorios de color verde o de «agua verde». Elevar el pH de esas aguas a un valor de cerca de 7.2 o más, por lo general soluciona el problema, pero se debe consultar a una persona calificada en el tratamiento de aguas. Un tratamiento típico para un pozo de abastecimiento de agua individual es pasar el flujo de agua a través de una cama de gravillas de 16

2




IV. DOBLADO Consideraciones generale s Debido a su maleabilidad excepcional, el cobre puede adaptarse sin problemas en la obra. El tubo de cobre, doblado correctamente, no se colapsará en el lado exterior del codo y no se pandeará en su lado interior. L as pruebas demuestran que un tubo de cobre doblado tiene mayor resistencia al reventamiento, que antes de doblarlo. Por la maleabilidad del cobre, los codos de dilatación y otras conexiones necesarias en un sistema de tubería, se arman de manera rápida y sencilla, si se utilizan el método y el equipo apropiados. Se pueden usar herramientas manuales sencillas, como prensas, matrices, formas y rellenos o máquinas eléctricas de doblado.Ambos tipos de tubo, rígido y flexible, pueden doblarsecon una herramienta manual, usando el tamaño correcto de la herramienta según el diámetro del tubo, para conocer los radios mínimos de doblado, ver tabla 11 (pag. 40). El procedimiento para doblar un tubo de cobre con una herramienta de doblado manual de tipo palanca, es el siguiente:

1. Con las manijas a 180° y el sujetador del tubo apartado,

inserte el tubo en la ranura de la rueda de doblado. 2.Coloque el sujetador del tubo encima del mismo y ponga la manija en una posición más o menos rectangular, asegurando la zapata de doblado encima del tubo.L amarcacero enlaruedadedobladodeberá quedar a la misma altura del borde delantero de la zapata de doblado. 3.Doble el tubo al jalar las manijas en un movimiento continuo y suave. El ángulo deseado de doblez se puede averiguar por medio de las calibraciones que se encuentran en la rueda de doblado. 4.Remueva el tubo doblado al mover la manija hasta que forme un ángulo recto con el tubo, y quite la zapata de doblado. La herramienta ilustrada es una de las muchas disponibles en la industria. Unicamentesigalasinstrucciones indicadas por el fabricante del equipo a utilizar.

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V. ENSAMBLADO Introducción Lasjuntas soldadas con sistemacapilar, seutilizan enplomería para las líneas deagua. Las juntas soldadas con bronce mediante el proceso capilar, se utilizan en donde se requiere de mayor fuerza o donde la temperaturas del servicio es más alta de los 163°C. Para soldar las juntas en tuberías de refrigeración a menudo se requiere soldadura con plata. Las juntas mecánicas se utilizan con frecuencia para latuberíasubterránea,dondenoesrecomendableel uso del calor y para juntas quetengan que desconectarse de vez en cuando. El tubo de cobre se puede también ensamblar con soldadura a tope sin el uso de conexiones. Debe tenerse cuidado al seguir los procedimientos apropiados para soldar.

dar. Pueden requerirse donde existe un riesgo de incendio y no se puede usar un soplete para estañar o soldar conplata.También, soldarenunambientehúmedopuedeser muy difícil; en estos casos seprefieren las uniones ensanchadas.

Soldaduras Las juntas soldadas dependen de la acción capilar que lleva el estaño líquido al espacio libre entre la conexión y el tubo. El fundente actúa como un agente de limpieza y de adherencia y, cuando está aplicado demanera correcta, permite una distribución uniformedel estaño fundido sobre la superficie de la unión. La selección de unasoldadura depende sobre todo de la presión y temperatura de operación del sistema. También se debe tomar en cuenta las tensiones en las juntas causadas por la expansión y la contracción térmica. Sin embargo, las tensiones causadas por los cambios de temperatura no deben ser signif icativas en los casos más frecuentes: cuando las secciones de tubo son cortas y cuando se usan codos de dilatación en tubos largos. La tabla 3 (pag. 35) muestra las presiones nominales de operación para las juntas soldadas entre tubos de cobre que usan una mezcla de soldadura de estaño y plomo de 50-50 y de estaño y antimonio de 95-5. La soldadura de estaño y plomo de 50-50 es conveniente para presiones y temperaturas moderadas. Para presiones más altas, o donde se requiere una junta de una resistencia mayor, es preferible usar la soldadura deestaño y antimonio. Para tubos sujetos a una operación continua a temperaturas que exceden los 120°C, o donde se requiere de juntas de una resistencia máxima, se deben usar soldaduras de relleno con plata. Se puede utilizar la mayoría de las soldaduras indicadasenASTM-B-32, Especificación Estándar para Metales de Soldadura, para ensamblar tubos y conexiones de cobre en sistemas de agua potable. La soldadura se usa por lo general en forma de alambre, pero también existe soldadura con fundente granulado fino integrado. Cuando se usa una pasta de soldadura con fundente es recomendable agregar más soldadura de alambre a la junta, utilizando el mismo tipo de soldadura (por ejemplo, 50-50 o 95-5) que lleva la pasta.

Conexiones Las conexiones para tubos decobre quese usan en instalaciones hidráulicas y de calefacción se fabrican según las normas siguientes, para: •Conexiones de latón a 45°, la NMX-X-002/1 y ASTM-B-16 •Conexiones de cobre soldadas, la NMX-W-101/1 •Conexiones soldables de latón, la NMX-W-101/2 •Válvulas de paso, la NOM-X-031 y ANSI-Z21 •Pig Tail, la NOM-X-018/3 y ANSI-CGA V-1 Lasconexionesapresión dealeación decobre fundido están disponibles en todos los diámetros estandarizados de tubos y en una amplia gama de tipos para cubrir las necesidades de instalaciones hidráulicos. Pueden ser estañados o soldados con plata y/o bronce; aunque, soldar con plata conexiones de cobre fundido, requiere de especial atención. También existe una amplia gama de conexiones a presión de cobre forjado en todos los diámetros y tipos. Éstos, al igual que los de cobre fundido, pueden juntarse mediante estañado o soldadura con plata; sin embargo, se prefieren las conexiones forjadas donde el método de unión es la soldadura con plata. La opción entre las conexiones de cobre fundido o de cobre forjado depende a gran medida de la preferencia del usuario. Las conexiones de tubo ensanchado proporcionan un contacto de metal con metal similar a las uniones subterráneas; ambas pueden desarmarse fácilmente y ensamblarse denuevo. Son muy útiles en donde el agua residual no se puede quitar del tubo y es difícil de sol19


V. ENSAMBLADO Fundentes La función del fundente para soldaduras es la de remover rastros residuales deóxidos, facilitar el flujo y proteger las superficies que se soldan de la oxidación durante el calentamiento. El fundente se debe aplicar, a las superficies limpias, en una pequeña cantidad solo para recubrir las áreas que se unen. Se puede formar muy rápido una nueva película de óxido en superficies de cobre después de su limpieza. Por lo tanto, se debe aplicar el fundente lo antes posible. Se pueden conseguir soldaduras que contienen pequeñas cantidades de plata u otros aditivos para lograr una mayor resistencia o características especiales de flu jo. Tales soldaduras pueden requerir fundentes especiales. Se deberá consultar las recomendaciones del fabricante referente a los procedimientos y fundentes indicados para estas soldaduras. Algunosfundentes llamados por sus fabricantes«de auto limpieza» presentan un riesgo en su uso. No hay duda que un fundente fuerte y corrosivo puede quitar algunos óxidos y películas de suciedad; sin embargo, cuando se usan fundentes altamente corrosivos de esta manera, existe siempre la incertidumbre si se haya logrado una limpieza uniforme o si continúe la acción corrosiva de los residuos del fundente, una vez terminada la soldadura.

20

VI. JUNTAS SOLDADAS Introducción

Foto 5. Me dición

Soldar es un conjunto de procesos de unión, que al calentarse a una temperatura específ ica, producen una fusión de materiales, usando un metal de relleno (material de soldadura), cuya temperatura de fundición no exceda los 450°C y se encuentre debajo de la temperatura de solidificación de los metales base. En la práctica actual, la mayoría de las soldaduras se realizan a una temperatura entre 180°C y 290°C. Para lograr juntas satisfactorias de manera consistente se debe preparar y soldar tomando en cuenta la siguiente secuencia: •Medición y corte de los tubos •Escariado •Limpieza •Aplicación del fundente •Ensamble y soporte •Calentamiento •Aplicación de la soldadura •Enfriamiento y limpieza •Pruebas

Foto 6. Corte

E R B O C E D S O B U T

Las técnicas descritas producen juntas soldadas libre de fugas, entre el tubo de cobre o de alguna de sus aleaciones y las conexiones, ya sea en el taller o en el campo. Se requiere de habilidad y conocimiento para producir de manera satisfactoria una junta soldada.

N O C

Escariado

Medición y corte

Escarie todos los diámetros interiores de los extremos del tubo cortado para quitar las rebabas pequeñas creadas por la operación del corte. Si este borde interior, áspero, no se quita, puede producirse corrosión por erosión, debido a una turbulencia local y a una mayor velocidad de flujo local en el tubo. Una pieza de tubo correctamente escariada proporciona unasuperficie lisa paraun mejor flujo. Quite las rebabas que se encuentren en el exterior de los extremos del tubo, creadas por la operación del corte, para asegurar la entrada apropiada del tubo en el casquillo de unión. (fotos 7a, 7b y 7c) Las herramientas utilizadas para escariar los extremos del tubo incluyen la cuchilla para escariar en el cortador de tubos, filos redondos o medio redondos, una navaja de bolsillo y una herramienta apropiada para quitar las rebabas. Con tubos flexibles, debe tenerse cuidado para no deformar el extremo del tubo aplicando demasiada presión.

Mida con exactitud la longitud de cada segmento de tubo. La imprecisión puede perjudicar la calidad de la junta. Si el tubo es demasiado corto, no entrará hasta el fondo dela conexión, lo queimpideefectuar unajunta adecuada. Si el segmento de tubo es demasiado largo, puede producirse una tensión en el sistema, que afectaría la vida de servicio. Corte el tubo a las longitudes medidas. El corte puede llevarse a cabo de diversas maneras para producir un extremo con un escuadrado satisfactorio. El tubo puede cortarse con un cortador de tubos de tipo disco (foto 5 y 6), con una sierra para metales, con una rueda abrasiva o con una sierra de bandaportátil o estacionaria. Debe tenerse cuidado de que el tubo no se deforme al cortarlo. Sin importar el método, el corte debe ser en ángulo recto de tal forma que el extremo del tubo asiente correctamente en el casquillo de unión. 21

R A J A B A R T

VI. JUNTAS SOLDADAS Fotos 7a, 7b y 7c. Escariado

En caso de deformarse el tubo flexible se puede redondear de nuevo, con una herramienta de ajuste que consiste en un conector y un anillo de ajuste.

llena con la soldadura por medio de la acción capilar. Este espacio es esencial para quela soldaduralo llene y forme una junta fuerte. El cobre es un metal relativamente suave. Si se remueve demasiado material del extremo del tubo o del casquillo, puede producirse una junta de mala calidad por el exceso de juego. También se puede limpiar el tubo con químicos, si después los extremos del tubo y las conexiones se enjuagan por completo, siguiendo el procedimiento indicado por el fabricante del limpiador. No toque la superficie limpia con las manos o con guantes llenos deaceite. Los aceites para la piel, aceites lubricantes y grasa perjudican la operación de soldado. (fotos 8a, 8b y 8c)

Limpieza Es importante la remoción de todos los óxidos y manchas de superficie en los extremos de los tubos y de los casquillos de unión para el flujo adecuado de la soldadura hacia la junta. Si no se remueven, pueden interferir con la acción capilar y disminuir la resistencia de la junta provocando una falla. Lije (limpie) levemente los extremos del tubo con papel abrasivo o cojines abrasivos de nylon a una distancia un poco mayor a la profundidad del casquillo de unión. Limpie los casquillos de unión con lija, fibra o un cepillo del tamaño adecuado. El espacio capilar entre el tubo y el casquillo es de aproximadamente 0.004", y se

Aplicación del fundente Utilice un fundente que disuelva y quite rastros de óxido de las superficies limpias que se ensamblan,

Fotos 8a, 8b y 8c. Limpieza

22

VI. JUNTAS SOLDADAS Ensamble y soporte Inserte el extremo del tubo en el casquillo de unión, cerciorándose de que el tubo esté asentado en la base del mismo. Un ligero movimiento giratorio asegura un recubrimiento uniforme del fundente. Quite el exceso de fundente del exterior de la junta con un trapo de algodón. Sujete el ensamble del tubo y del casquillo para asegurar un espacio capilar uniforme alrededor de toda la circunferencia de la junta. La uniformidad del espacio capilar asegurará el buen flujo de la soldadura fundida. Un espacio capilar excesivo puede producir grietas en el metal de soldadura bajo el efecto de esfuerzos o vibraciones. (Fotos 10ay 10b)

que proteja las superficies limpias de la reoxidación durante el calentamiento, y que facilite el contacto de la soldadura con las superficies a soldar, según la recomendación indicada en los requerimientos generales de ASTM-B-813. Inmediatamente después de la limpieza, aplique con una brocha, una capa delgada y uniforme del fundente al tubo y al casquillo. ADVERTE NCI A: No aplique el f undente con los de- dos. L os produ ctos quími cos del f un dente pueden ser dañ inos si se l levan a l os ojos, boca o her idas abiertas.

Tenga especial cuidado en la aplicación del fundente. Un trabajo mal realizado puede causar problemas después de que se haya instalado el sistema. Si se utilizan cantidades excesivas de fundente, el residuo de éste puede causar corrosión. En casos extremos, tal corrosión del fundente podría perforar la pared del tubo, del casquillo o de ambos. (fotos 9a y 9b)

Calentamiento Comience a calentar el tubo moviendo la flama en dirección perpendicular al mismo (foto 11a). El tubo de cobre conduce el calor inicial al casquillo para una distribución uniforme del calor en el área de la unión.

Foto 9a. Aplicación de fundente en tubo

Foto 10a. Ensamble


Foto 9b. Aplicación de fundente en conexión

Foto 10b. Limpieza del exceso de fundente

23

VI. JUNTAS SOLDADAS Fotos 11a. Pre-calentado de tubo

Fotos 11c. Resistencia eléctrica

Fotos 11b. Pre-calentado de conexión

El calor se aplica por lo general por medio de un soplete de gas combustible y aire. Dichos sopletes utilizan acetileno o un gas LP. También se pueden usar herramientas para soldar basadas en resistencias eléctricas (foto 11c), éstas emplean electrodos para el calentamiento y deben usarse cuando una flama abierta implica un riesgo.

Aplicación de soldadura Para las juntas en posición horizontal, comience a aplicar el metal de soldadura levemente fuera del centro en el fondo de la junta (foto 12). Proceda a través del fondo del casquillo hasta la posición central superior. Vuelva al punto de inicio, traslápelo y enseguida, proceda encima del lado incompleto hacia la parte superior, traslapando otra vez la soldadura. Para las juntas en posición vertical, haga una secuencia similar de los pasos de traslape comenzando donde sea conveniente. Las juntas de soldadura depen-

El grado de este precalentamiento depende del tamaño de la junta. La experiencia indicarála cantidad de tiempo necesario. Enseguida, mueva la flama sobre el casquillo (foto 11b). Después, mueva la flama entre el casquillo y el tubo a una distancia igual a la profundidad del casquillo. Con el soplete en la basedel casquillo, toquela junta conla soldadura. Si la soldadurano sederrite, quítela y continúe calentando.

Foto 12. Soldadura

ADVERTEN CI A: N o sobrecaliente la ju nta ni dir ij a la fl ama hacia el f rente del casqui ll o. El sobrecalentamiento pu ede quemar el f un dente qui - tándol e su efi cacia, i mpi diendo asíque l a soldadura penetre en l a ju nta de manera cor recta.

Cuando la soldadura se derrita, aplique calor a la basedel casquillo para facilitar la acción capilar de llevar la soldadura fundida al casquillo hacia la fuente de calor. 24

VI. JUNTAS SOLDADAS Pruebas Pruebe la efectividad de las juntas de todos los ensambles terminados. Siga el método de prueba prescrito en el reglamento que se aplica para el servicio propuesto.

den de la acción capilar para llevar el flujo de soldadura fundida hacia el espacio estrecho entre el casquillo y el tubo. El metal de soldadura fundido fluye hacia la junta por la acción capilar sin importar si el flujo es hacia arriba, hacia abajo u horizontal. El fundente que se aplicó primero, actúa como un agente de limpieza y de adherencia de la soldadura, si está aplicado de manera correcta, permite una distribución uniforme de la soldadura fundida sobre las superficies que se quieren conectar. La acción capilar es la más eficaz cuando el espacio entre las superficies que se van a conectar va de 0.002 a 0.005 pulgadas. Se puede tolerar un cierto juego, pero si el espacio es demasiado grande puede causar dificultades con conexiones de gran tamaño. Para unir el tubo de cobre con el casquillo de una válvula, sigalasinstrucciones del fabricante. La válvula debe estar en posición abierta antes de aplicar calor, recuerde que, este calor se debe aplicar más que nada al tubo. La cantidad de soldadura consumida cuando se llena de manera adecuada el espacio capilar entre el tubo y los casquillos forjados o fundidos, se puede estimar en la tabla 8 (pag. 39). El requerimiento de fundente es, por lo general, de 50 gramos por kilo de soldadura.


Enfriar y limpia r Después de haber terminado la aplicación de soldadura en la junta, limpie el excedente del fundente con un paño de algodón limpio y termine de enfriar con un paño semi húmedo. (foto 13) Foto 13. Limpieza

25

VII. JUNTAS SOLDADAS CON PLATA Introducción Las conexiones fuertes y herméticas soldadas con plata se pueden efectuar al soldar con metales de relleno que se funden a temperaturas entre 600°C y 815°C, como se lista en la tabla 10 (pag. 40). L os metales de relleno para soldaduras con plata seconocen como «soldaduras fuertes» o «soldaduras de plata». La temperatura en la cual un metal de relleno comienza a fundirse durante el calentamiento es la temperatura de solidificación; la temperatura de licuefacción es la temperatura superior en la cual el metal de relleno se derrite totalmente. La temperatura de licuefacción será mínima para llevar a cabo la soldadura. La diferencia entre estas dos temperaturas esel rango de fundición que, puede ser de gran importancia al seleccionar un metal de relleno, ya que indica el rango de trabajo para la aleación y la velocidad a la que la

aleación se vuelve completamente sólida después de soldarse. Los metales de relleno con rangos estrechos, con o sin plata, solidif ican más rápido y, por lo tanto, requieren una aplicación de calor más cuidadosa. L os rangos de fundición de metales de soldadura más comunes se muestran en la figura 4a.

Metales de relleno Los metales de relleno adecuados para soldar tubos de cobre son de dos clases: 1.Aleaciones que contienen fósforo (la series BCuP) 2.Aleaciones quecontienen un alto contenido de plata (las series BAg). Las dos clases difieren en sus características de fusión, fundente y flujo, características que deben considerarse al seleccionar un metal de relleno ( tabla 10,

Figura 4a. Tempe ratura de fusión de soldadura y Figura 4b. Ciclo de fundición de soldadura 4a

1,100°C 2000°F

4b

RANGO DE FUSION 1981, Cobre

1,100°C 2000°F Flujo de soldadura especial

1810-1880 Latón Rojo 1660-1710, Latón Amarillo

Flujo de soldadura especial 815°C

540°C

1500°F

1000°F

TEMPERATURA DE FUSION 1350-1550 BCuP-2 Cobre Fosforado 1300-1550 BCuP-3 Cobre Fosforado 1300-1450 BCuP-4 Cobre Fosforado 1300-1500 BCuP-5 Cobre Fosforado 1145-1400 BAg-1 Plata 1295-1550 BAg-2 Plata 1370-1550 BAg-5 Plata 1205-1400 BAg-7 Plata

815°C

1500°F Temperatura de fusión (varia para cada material) Flujo claro y estable

540°C

1000°F Empieza a fundirse Burbujea

260°C

500°F

RANGO DE FUSION DE SOLDADURA 452-464 95-5 Estaño-Antimonio 361-421 50-50 Estaño-Plomo

260°C

500°F

Grado de ebullición del agua Inicio de calentamiento

26

VII. JUNTAS SOLDADAS CON PLATA Figura 5. Recomendaciones de m aterial de relleno de acuerdo al tipo de conexión

pag. 40). Para unir tubos de cobre, cualquiera de estos metales de relleno proporcionará la resistencia necesaria cuando se utilicen con conexiones estándar para soldar o conexiones de casquillo corto para soldaduras con plata, disponibles en el mercado. La resistencia deunajunta de tubo decobre soldada con plata no varía mucho en función de los diversos metales de relleno, más bien depende principalmente del espacio adecuado entre el exterior del tubo y el casquillo de unión. El tubo de cobre y las uniones de soldadura con plata se fabrican exactamente uno para el otro, y las tolerancias permitidas para cada uno aseguran que el espacio capilar esté dentro de los límites necesarios para una junta de una resistencia satisfactoria. Las presiones nominales de trabajo de las líneas de agua soldadas con plata, que llevan temperaturas de servicio de hasta 121°C (la temperatura de vapor saturado a 1.05 kg/cm2) se muestran en la tabla 3(pag. 35). Estas presiones deben utilizarse sólo cuando se ha mantenido el espacio capilar correcto. Las composiciones de los metales de relleno para soldar se muestran en la tabla 10 (pag. 40). Se pueden utilizar cualquiera de los metales de relleno disponibles, los que se usan comúnmente en instalaciones hidráulicas, conexiones de tubería, sistemas de refrigeración y deaire acondicionado son BCuP-2 (paratoleranciasmuy pequeñas), BCuP-5 (donde no se pueden lograr tolerancias tan pequeñas), BAg-1, BAg-5 y BAg-7.

Cobre e n t e i r e f u n d N o r e q u

Latón

Forjado

BCuP

Cobre

Tubo

Forjado

BCuP

Fundido

BCuP

Latón

Fundido

Cobre

FUNDENTE REQUERIDO

BCuP

Conexión

Fundido

BAg

Metal de relleno

Latón

Cobre Latón

Forjado

BAg

Foriado Fundido

BAg

BAg

con fundente (además del extremo del tubo y del casquillo), se evita la oxidación y el aspecto de la junta mejora de manera considerable. La figura 5ilustra el material de relleno recomendada para los diferentes tipos de tubos de cobre y sus aleaciones.

Ensamble Ensamble la junta insertando el tubo en el casquillo hasta el tope y gírelo si es posible. El ensamble debe apoyarse firmementede modo que siga alineado durante la operación de soldadura con plata.

Fundentes Los fundentes usados para soldar con platalas juntas de cobre son diferentes en su composición de los fundentes para soldar con estaño. Los dos tipos no se puedenintercambiar. Los fundentes para soldaduras con plata se basan en agua, mientras que la mayoría de los fundentes para soldaduras con estaño se basan en derivados de petróleo. Similar a éstos últimos, los fundentes para soldaduras con plata disuelven y quitan los óxidos residuales de la superficie del metal, protegen el mismo contra la reoxidación durante el calentamiento y facilitan la adherencia del material de soldadura alas superficies que se juntan. Los fundentes también sirven al instalador para estimar la temperatura (figura 4b). Si el exterior del casquillo y el área del tubo afectada por el calor se cubren

Aplicación de calor y soldadura Paso un o: Apliquecalor a las piezas quese ensam-

blan, de preferencia con una flama neutral de gas y oxígeno; flamas de gas y aire se utilizan a veces para los diámetros más pequeños. Caliente primero el tubo, comenzandocercadeunapulgadadel bordedelaconexión, moviendo la flama alrededor del tubo con movimientos cortos en ángulo recto al eje del tubo. Es muy importante que la flama esté en constante movimiento y que no permanezca mucho tiempo en un solo punto, para evitar que se dañe el tubo. El fundente se puede utilizar como guía en cuanto al tiempo para calentar el tubo; continúe calentando el tubo hasta que el fundente esté estable y transparente. El comporta27


VII. JUNTAS SOLDADAS CON PLATA miento del fundente durante el ciclo para soldar con plata se describe en la figura 4b. Paso dos: Dirija la flama hacia la conexión en la base del casquillo. Caliente de manera uniforme, moviendo la flama entre la conexión y el tubo hasta que el fundente en la conexión esté estable. Evite el calentamiento excesivo de las conexiones de cobre fundido. Paso tres: Cuando el fundente este líquido y transparente en el tubo y en la conexión, comience a mover la flama hacia adelante y hacia atrás a lo largo del eje de la junta para mantener el calor en las piezas que se van a soldar, especialmente hacia la base del casquillo de conexión. La flama debe mantenerse en movimiento para evitar que se funda el tubo o la conexión. Paso cuatr o: Apliqueel metal derelleno para soldar en un punto entre el tubo y el casquillo de la conexión. Cuando se alcanza la temperatura apropiada, el metal de relleno fluirá directamente al espacio entre el tubo y el casquillo, llevado por la fuerza natural de la acción capilar. Mantengala flama alejada del metal de relleno conforme penetre la junta. La temperatura del tubo y de la conexión en la junta debe ser lo suficientemente alta para fundir el metal de relleno. Mantenga la conexión y el tubo calientes moviendo la flama hacia atrás y hacia adelante mientras se alimenta el metal de relleno a la junta. Cuando la unión está hecha de manera correcta, debe aparecer un cordón continuo de metal de relleno alrededor de la junta. Pare la alimentación tan pronto vea dicho cordón. La tabla 9(pag. 39) es una guía para estimar cuánto metal de relleno se va a requerir. Para tubos de1" y mayores puede ser difícil calentar toda la junta al mismo tiempo. Muchas veces es necesario utilizar un soplete adicional para mantener una temperatura adecuadasobre grandes áreas. Se recomienda un precalentamiento suave de toda la conexión para diámetros más grandes. El calentamiento puede entonces proceder conforme a los pasos antes mencionados.

del casquillo señala hacia abajo, se debe tener cuidado para evitar que se sobrecalienteel tubo, pues esto puede causar que el metal de relleno corra hacia el exterior del tubo. Si esto sucede, retire el calor y permita que el metal de relleno se asiente. Enseguida, vuelva a calentar el casquillo de la conexión para alimentar el metal de relleno.

Remoción de re siduos Después de que se haya enfriado la junta soldada con plata, deben quitarselos residuos del fundente con un paño limpio o cepillo y limpiar con agua caliente. Quite todos los residuos del fundente para evitar que el fundente endurecido retenga la presión de manera temporal y cubra una junta mal soldada. Las conexiones forjadas se enfrían con mayor rapidez que las conexiones de cobre fundido, pero a todas las conexiones se les debe permitir enfriarse de manera natural antes de mojarse.

Sugerencias generales •Si el metal de relleno no fluye o tiende a formar protuberancias, indica la presencia deoxidación en las superficies del metal o que el calor en las piezas que se ensamblan es insuficiente. •Si el tubo o la conexión comienzan a oxidarse durante el calentamiento, se debe a que no hay suficiente fundente. •Si el metal de relleno no entra ala junta y tiendea fluir hacia el exterior de cualquier miembro de la junta, indica que alguno está sobrecalentado o que al otro le falta calor.

Pruebas Pruebe la efectividad de las juntas de todos los ensambles terminados. Siga el método de prueba prescrito en el reglamento que se aplica para el servicio propuesto.

Juntas horizontales y verticales Cuando se soldan juntas horizontales, es preferible aplicar primero el metal de relleno en el fondo, luego a los dos lados y finalmente arriba, cerciorándose que las operaciones se traslapen. En las juntas verticales no importa donde se empieza. Si la abertura 28

ANEXO. SOLDADURAS CON ESTAÑO Y CON PLATA Introducción La teoría y la técnica básicas para soldar con estaño y con plata son iguales para todos los diámetros de tubos de cobre. Las únicas variables son el metal de relleno, el tiempo y el calor requeridos para terminar unajunta dada. Soldar con estaño es el proceso deunión que ocurre debajo de los 450°C, y soldar con plataes el proceso que ocurre arriba de 450°C pero debajo del punto de fusión de los metales base. En la práctica, la mayoría de las soldaduras de estaño para los sistemas decobresehacenatemperaturasalrededordelos175°C a 315°C, mientras que la mayoría de las soldaduras con plata sehacen atemperaturas que se extienden de595°C a 815°C. La opción entre soldar con estaño o con plata depende por lo general de las condiciones de servicio del sistema y de los requerimientos de los reglamentos de construcción que aplican. L as juntas soldadas con estaño se utilizan por lo general donde la temperatura de servicio no excede los 120°C, mientras que las juntas

soldadas con plata pueden utilizarse donde se requiere una junta de mayor resistencia o donde las temperaturas del sistema llegan hasta 175°C. Las juntas soldadas con plata ofrecen en general una mayor resistencia, sin embargo, el recocimiento del tubo y de la conexión que resulta del calor más alto usado en el proceso de soldar con plata, puede ocasionar que la presión nominal del sistema sea menor que la de una junta soldada con estaño, por lo que debe considerarse al elegir el proceso de ensamble que se va a utilizar. Aunque soldar con estaño y con plata son los métodos más comunes para ensamblar tubos y conexiones de cobre, éstos a menudo, son los métodos menos comprendidos. Es esta falta de conocimiento lo que resulta en instalaciones defectuosas, en juntas de mala calidad o con fallas. Las investigaciones sobre las causas más comunes que provocan fallas en las uniones revelaron varios factores que contribuyen a éstas:

E R B O C E D S O B U T

• Preparaci ón i ncor recta de la j un ta antes de soldar

N O C

• Falta de soporte adecuado y/o i ncl inación dur ante l a soldadur a con estañ o o con plata

R A J A B A R T

• Control y distri bución de calor incor rectos en todo el pr oceso de un ión • Apl icación incor recta del metal de rell eno de soldadura con estañ o o con plata • Cantidad inadecuada de metal de rell eno apli cado a la ju nta • En fr iamiento de choque y/o l impieza r epentina del metal de r elleno fun dido despué s de soldar con estañ o o plata • Pre-estañ ado de l as ju ntas antes de ensambl ar y de soldar

29

ANEXO. SOLDADURAS CON ESTAÑO Y CON PLATA Las operaciones de soldadura con estaño o plata son intrínsecamente sencillas, la omisión o la mala aplicación de una sola parte en el proceso puede significar la diferencia entre una buena junta y unacon fallas.

Purgado Algunas instalaciones, tales como los sistemas de gas medicinal y de ACR, requieren la adición de un gas inerte durante el proceso de soldadura con plata. El gas de purga desplaza el oxígeno del interior del sistema mientras está sujeto a las altas temperaturas de soldadura con plata, y por lo tanto, elimina la posibilidad de una formación de óxido en la superficie interior del tubo. Los flujos del gas depurga y los métodos deaplicación se deben incluir en las especificaciones del procedimiento para soldar con plata.

Información general Soldar con estaño o con plata son métodos rápidos y eficaces para efectuar una unión con sopletes estándar y con diversos gases, permitiendo alcanzar una alta productividad en la obra. Existen también herramientas manuales para soldar con resistencias eléctricas, las cuales emplean electrodos de calentamiento para unir tubos y conexiones. Estas herramientas (foto 14) son de peso ligero y deben considerarse cuando la flama abierta representa un riesgo. Foto 14. Herramienta de resistencia eléctrica

30

3




DATOS TECNICOS Tabla de conversiones psi

Presión

Peso

Fluido Distancia

6.89 kPa

Temperatura °C

kg/cm2

10 m.c.a.

1 psi

0.070 kg/cm2

1 libra

453.59 gr

1 libra

0.453 kg

5 °C = 9

1 onza

28.38 gr

°C =

1 onza

0.283 kg

5 9

1 galón/min

4.546 lt/min

°C =

270 =30°C 9

1 pulgada

2.54 cm

1 pie

30.48 cm

°C =

5 9

( T°F - 32)

Por ejemplo:

Temperatura °F °F =(1.8)

( T°C) +32

Por ejemplo:

(86 - 32)

°F = (1.8)

(54)

°F = 54 +32

(30) +32

°F =86°F

TABLA 1. Tipos y aplicaciones de tubería de cobre ( NORMA ASTM-B-88) Código internacional de identificación Tipo

M

Color

Rojo

Di ám etros nom ina le s

Usos y a pl ica ci one s

milímetros (pulg)

6 (1/4”)

10 (3/8”)

13 (1/2”)

19 (3/4”)

25 (1”)

32 (11/4”)

38 (11/2”)

51 (2”)

64 (21/2”)

75 (3”)

Casas de interés social Casas de interés medio Edificios habitacionales Edificios comerciales

100 (4”)

L

Para el uso de gas medici nal deber ácumpl ir con pr uebas de limpi eza según las Normas CGA-G-41 (Asociación de Gas Compri mido) CSA-Z 3051 (Canadian Standars Associati on) NFPA-99C (Nati onal Fi re Protection Association)

Azul

6 (1/4”)

10 (3/8”)

13 (1/2”)

19 (3/4”)

25 (1”)

32 (11/4”)

38 (11/2”)

51 (2”)

64 (21/2”)

75 (3”)

Los mismos que el tipo “M”, además de: Instalaciones de gas combustible y medicinal, tomas domiciliarias de agua potable

100 (4”)

K

Verde

32

6 (1/4”)

10 (3/8”)

13 (1/2”)

19 (3/4”)

25 (1”)

32 (11/4”)

38 (11/2”)

51 (2”)

Los mismos que el tipo “L”, además de: Uso industrial donde las presiones y temperaturas de trabajo son severas

DATOS TECNICOS TABLA 2. Dimensiones y características de tubería rígida de cobre M edida Diámetro nominal 1/ ” 4

exterior 0.375”

Diámetro interno

Espesor de pared

M

L

K

0.324”

0.314”

0.276”

M 0.025”

L

Peso por tramo de 6. 10 mts

K

0.030”

0.049”

6.35 mm 9.525 mm 8.255 mm 8.001 mm 7.035 mm 0.635 mm 0.762 mm 1.245 mm 3/ ” 8

0.500”

0.449”

0.429”

0.401”

9.50 mm 12.700 mm 11.43 mm 10.922 mm 10.21 mm 1/ ” 2

0.625”

0.572”

0.544”

0.494”

0.025”

0.035”

0.049”

M

L

2.132 lb

2.524 lb

K

Presión máxima M

L

K

5.385 lb 6,133 lb/pulg2 7,200 lb/pulg2 8,820 lb/pulg2

0.968 kg 1.146 kg 2.445 kg 431.15 kg/cm2 506.16 kg/cm2 620.04 kg/cm2 2.903 lb

3.965 lb

6.890 lb 4,500 lb/pulg2 6,300 lb/pulg2 7,056 lb/pulg2

0.635 mm 0.889 mm 1.245 mm 1.318 kg 1.800 kg 3.128 kg 316.35 kg/cm2 442.89 kg/cm2 496.03 kg/cm2 0.028”

0.040”

0.065”

5.705 lb 12.813 lb 4,032 lb/pulg2 5,760 lb/pulg2 6,685 lb/pulg2

4.083 lb

12.7 mm 15.875 mm 14.453 mm 13.843 mm 12.573 mm 0.711 mm 1.016 mm 1.651 mm 1.854 kg 2.590 kg 5.817 kg 283.45 kg/cm2 404.92 kg/cm2 469.95 kg/cm2 3/ ” 4

0.875”

0.811”

0.784”

0.744”

0.032”

0.045”

0.065”

9.110 lb 16.799 lb 3,291 lb/pulg2 4,632 lb/pulg2 5,200 lb/pulg2

6.566 lb

19 mm 22.225 mm 20.601 mm 19.939 mm 18.923 mm 0.812 mm 1.143 mm 1.651 mm 2.981 kg 4.136 kg 7.627 kg 231.35 kg/cm2 325.62 kg/cm2 209.00 kg/cm2 1”

1.125”

1.054”

1.024”

0.994”

0.035”

0.050”

0.065”

9.310 lb 13.114 lb 20.824 lb 2,800 lb/pulg2 4,000 lb/pulg2 4,260 lb/pulg2

25 mm 28.575 mm 26.797 mm 26.035 mm 25.273 mm 0.889 mm 1.270 mm 1.651 mm 4.227 kg 5.954 kg 9.454 kg 196.84 kg/cm2 281.20 kg/cm2 299.47 kg/cm2 11/4”

1.375”

1.290”

1.264”

1.230”

0.042”

0.055”

0.072”


32 mm 34.925 mm 32.791 mm 32.131 mm 31.267 mm 1.067 mm 1.397 mm 1.829 mm 6.200 kg 8.036 kg 12.363 kg 193.25 kg/cm2 253.08 kg/cm2 280.35 kg/cm2 11/2”

1.625”

1.526”

1.504”

1.459”

0.049”

0.060”

0.083”


38 mm 41.275 mm 38.785 mm 38.227 mm 37.059 mm 1.245 mm 1.524 mm 2.108 mm 8.545 kg 10.363 kg 18.727 kg 190.72 kg/cm2 233.60 kg/cm2 247.10 kg/cm2 2”

2.125”

2.016”

1.984”

51 mm 53.975 mm 51.029 mm 50.419 mm 21/2”

2.625”

2.494”

2.464”

64 mm 66.675 mm 63.373 mm 62.611 mm 3”

3.125”

2.976”

2.944”

76 mm 79.375 mm 75.597 mm 74.803 mm 4”

4.125”

102 mm

104.775 mm

3.934”

29.233 lb 35.042 lb

2,470 lb/pulg2 2,965 lb/pulg2

1.473 mm 1.778 mm

13.272 kg 15.909 kg

173.65 kg/cm2 208.43 kg/cm2

0.065”

40.647 lb 49.658 lb


1.651 mm 2.032 mm

18.454 kg 22.545 kg

156.62 kg/cm2 192.76 kg/cm2

0.072”

53.663 lb 66.645 lb


1.889 mm 2.286 mm

24.363 kg 30.257 kg

145.73 kg/cm2 182.21 kg/cm2

0.095”

93.310 lb

0.058”

3.904”

99.949 mm 99.187 mm

0.070”

0.080”

0.090”

0.110”

2.413 mm 2.794 mm

107.729 lb

42.363 kg 48.909 kg

2,072 lb/pulg2 2,400 lb/pulg2 145.65 kg/cm2 168.72 kg/cm2

TABLA 2a. Dimensiones y características de tubería de cobre tipo ACR Diámetro exterior pulg

Diámetro exterior mm

Espesor de pared mm

Presión máxima permitida kg/cm 2 Ibs/pulg 2

1/ 8

3,18

0.76

250

3,554

0.051

3/ 16

4,76

0.76

154

2,198

0.085

1/ 4

6,35

0.76

112

1,589

0.119

5/ 16

7,94

0.81

94

1,334

0.162

3/ 8

9,53

0.81

77

1,095

0.198

1/ 2

12,70

0.81

57

807

0.270

5/ 8

15,90

0.89

49

704

0.374

3/ 4

19,10

1.07

50

704

0.540

7/ 8

22,22

1.14

45

642

0.673

33

Peso aproximado kg/m S O C I N C E T S O T A D

DATOS TECNICOS TABLA 2b. Presiones de trabajo interno (kg/cm 2) de tubo tipo M, L y K Temperatura de servicio D iá me tr o D iá me tr o nom ina l e xte ri or

10 °C (50°F) S=682.14 kg/cm2

38 °C (100°F) S=421.94 kg/cm2

65 °C (150°F) S=358.65 kg/cm2

93 °C (200°F) S=337.55 kg/cm2

149 °C (300°F) S=330.52 kg/cm2

205 °C (400°F) S=210.97 kg/cm2

Tipo de tubería pulgmm pulg mm 1

6

3

/8 10

1

/4

3

M

L

K

M

L

K

M

L

K

M

L

K

M

L

K

M

L

K

/8 9.525 67.961 104.264122.839 54.409 64.493 75.983 46.248 54.819 64.585 43.527 51.594 60.786 42.620 50.520 59.520 27.205 32.247 37.991 /2 12.700 65.131 88.952 129.198 40.287 55.022 79.916 34.244 46.769 67.929 32.230 44.017 63.933 31.568 43.100 62.601 20.144 27.511 39.958

1

5 /2 13 /8 15.875 56.375 82.340 101.818 34.871 50.932 62.979 29.640 43.292 53.532 27.897 40.748 50.383 27.316 39.897 19.33 17.436 25.466 31.489

3

7 /4 19 /8 22.225 46.473 68.389 97.264 28.748 41.065 60.163 24.434 34.906 51.138 22.997 32.852 48.131 22.518 32.158 47.128 14.373 20.533 30.082

25 11/8 28.575 38.421 58.375 74.703 23.765 34.871 46.208 20.201 29.640 39.277 19.012 27.897 36.966 18.616 27.316 36.196 11.883 17.436 23.104

1

11/4 32 13/8 34.925 38.548 50.081 60.638 23.844 30.966 37.508 20.267 26.321 31.882 19.075 24.773 30.006 18.678 24.256 29.381 11.922 15.483 18.754 11/2 38 15/8 41.275 37.772 46.588 56.375 23.364 28.617 34.871 19.860 24.495 29.640 18.591 23.054 27.897 18.302 22.574 27.316 11.682 14.409 17.436 51 21/8 53.975 34.056 41.424 53.550 21.066 25.623 30.649 17.906 21.780 26.052 16.853 20.499 24.520 16.502 20.071 24.009 10.022 12.812 15.325

2

21/2 64 23/8 66.675 31.234 38.264 45.351 19.320 23.666 28.052 16.422 20.118 23.845 15.456 18.935 22.442 15.134 18.540 21.974 9.660 11.834 14.026 78 31/8 79.375 28.857 36.104 43.881 17.850 22.332 27.143 15.172 18.982 23.071 14.280 17.666 21.714 13.982 17.401 21.262 8.925 11.186 13.571

3

4 102 41/8 104.775 28.584 33.389 40.975 17.681 20.653 25.345 15.028 17.555 21.544 14.144 16.522 20.278 13.850 16.178 19.854 8.840 10.326 12.673

TABLA 2b. Presiones de trabajo interno (kg/cm 2), USOS GENERALES Temperatura de servicio Diámetro

Diámetro

nominal

exterior

10 °C (50°F) 38 °C (100°F) 65 °C (150 °F) 121 °C (250 °F) 177 °C (350°F) S=682.14 kg/cm2 S=421.94 kg/cm2 S=358.65 kg/cm2 S=334.74 kg/cm2 S=286.22 kg/cm2

205 °C (400°F) S=210.97 kg/cm2

Tipo de tubería

pulg

mm

pulg mm

Refrig.

U. Gen Refrig.

U. Gen

Refrig.

U. Gen

Refrig.

U. Gen

Refrig.

U. Gen

Refrig.

U. Gen

1/ 8

3.175

1/ 8

3.175

356.37

356.37

220.43

220.43

187.37

187.37

176.35

176.35

172.67

172.67

110.22

110.22

3/ 16

4.763

3/ 16

4.763

211.11

211.11

137.39

137.39

116.78

116.78

109.91

109.91

107.62

107.62

68.69

68.69

1/ 4

6.350

1/ 4

6.350

161.33

161.33

99.79

99.79

84.82

84.82

79.83

79.83

78.17

78.17

49.90

49.90

5/ 16

7.938

5/ 16

7.938

136.84

136.84

84.64

84.64

71.95

71.95

67.71

67.71

66.30

66.30

42.32

42.32

3/ 8

9.525

3/ 8

9.525

112.53

112.53

69.60

69.60

59.16

59.16

55.68

55.68

54.52

54.52

34.80

34.80

1/ 2

12.700

1/ 2

12.700

83.03

83.03

51.36

51.36

43.65

43.65

41.08

41.08

40.23

40.23

25.68

25.68

5/ 8

15.675

5/ 8

15.675

70.43

70.43

43.56

43.56

37.03

37.03

34.85

34.85

34.12

34.12

21.78

21.78

3/ 4

19.050

3/ 4

19.050

58.29

58.29

36.05

36.05

30.65

30.65

28.84

28.84

28.24

28.24

18.03

18.03

34

DATOS TECNICOS TABLA 2b. Presiones de trabajo interno (kg/cm 2 ) en tubo tipo “L” flexible

pulg mm 1/ 4

10 °C (50 °F) 38 °C (100°F) 65 °C (150°F) 121 °C (250 °F) 177 °C (350 °F) 205 °C (400 °F) 2 2 2 2 2 S=682.14 kg/cm S=421.94 kg/cm S=358.65 kg/cm S=334.74 kg/cm S=286.22 kg/cm S=210.97 kg/cm2

pulg

mm

6.35

3/ 8

9.525

114.3

64.5

54.8

51.6

50.5

32.2

9.5

1/ 2

12.700

89.0

55.0

46.8

44.0

43.1

27.5

12.7

5/ 8

15.875

82.3

50.9

43.3

40.7

39.9

25.5

19

7/ 8

22.225

66.4

41.1

34.9

32.9

32.2

20.5

25

11/8

28.575

56.4

34.9

29.6

27.9

27.3

17.4

3/ 8 1/ 2

Temperatura de servicio

Diámetro exterior

Diámetro nominal

3/ 4

1

TABLA 3. Presiones de trabajo en uniones soldadas (kg/cm 2 ) Tipo de soldadura

Temperatura de servicio

Diametros nominales 1

/ 4 a 1”

1 / 2 a 2” 2 / 2 a 4”

Vapor saturado

14.06

12.30

10.55

–

65 C

10.55

8.79

7.03

–

93 C

6.33 –

5.27 –

–

121 C

7.03 –

38 C

35.15

28.12

21.09

0.5 –

65 C

28.12

24.61

19.33

–

93 C

21.09 –

17.58 –

14.06 –

–

° ° ° °

No. 95 95% Estaño 5% Plomo

1

38 C °

No. 50 50% Estaño 50% Plomo

1

° °

121 C °

1.05

TABLA 4. Presión de ruptura ( lb/pulg 2 y kg/cm 2 ) Diámetro nominal

Diámetro exterior

1/ ” 2

5/ ” 8

3/ ” 4

7/ ” 8

1”

11/8”

11/4”

13/8”

11/2”

15/8”

2”

21/8”

21/2”

25/8”

3”

31/8

4”

41/8”

M

L

K

Rígido Flexible

Rígido Flexible

Rígido Flexible

lb

6135

–

7765

3885

9840

4535

kg

431

–

546

273

692

319

lb

4715

–

5900

2935

9300

4200

kg

331

–

415

206

654

295

lb

3865

–

5115

2650

7200

3415

kg

271

–

360

186

506

240

lb

3875

–

4550

2400

5525

2800

kg

272

–

320

169

388

197

lb

3550

–

4100

2200

5000

2600

kg

250

–

288

155

352

183

lb

2935

–

3365

1910

3915

2235

kg

206

–

237

134

275

157

lb

2800

–

3215

–

2575

–

kg

197

–

226

–

181

–

lb

2665

–

2865

–

3450

–

kg

187

–

201

–

243

–

lb

2215

–

2865

–

3415

–

kg

156

–

201

–

240

–

35


DATOS TECNICOS Tabla 5 . Pérdida de presión por fricción para tubería de cobre tipo K,L y M ( kg/cm 2 ) Diáme tro nominal o estándar (pulgadas) 1

Flujo LPM 3.78

K

/4

L

3

M

K

/8

1

L

M

K

/2 L

3

M

K

/4 L

1 M

K

L

M

0.318 0.272 N/A 0.083 0.053 0.048 0.023 0.018 0.016 0.004 0.002 0.002

7.57

N/A 0.299 1.937 1.730 0.080 0.069 0.055 0.013 0.011 0.009 0.004 0.002 0.006

11.36

N/A 0.634 0.408 3.667 0.170 0.143 0.117 0.032 0.025 0.020 0.006 0.006 0.002

15.14

N/A

0.288 0.244 0.198 0.053 0.041 0.034 0.013 0.011 0.009

18.93

N/A

0.435 0.371 0.299 0.080 0.062 0.053 0.020 0.016 0.013

37.85

N/A

0.290 0.226 0.193 0.071 0.062 0.053

56.78

0.149 0.131 0.113

75.7

0.221 0.193

94.63 113.6 132.5 151.4 170.3 189.3 227.1 265 302.8 340.7 378.5 454.2 529.9 605.6 681.3 757 946.3 1136 1325 1514 1703

36

DATOS TECNICOS Diám etro nominal o estándar (pulgadas) 1 1/ 4

Flujo LPM

K

L

1 1/ 2

M

K

L

2 1/ 2

2

M

K

L

M

K

L

3

M

K

4

L

M

K

L

M

3.78 7.57

0.002

11.36

0.002 0.002 0.002

15.14

0.004 0.004 0.004

0.002

0.002 0.002

18.93

0.006 0.006 0.004

0.002

0.002 0.002

37.85

0.023 0.023 0.020

0.009

0.092 0.009 0.002 0.002 0.002

56.78

0.050 0.046 0.041

0.020

0.020 0.018 0.004 0.004 0.004

0.002 0.002 0.002

75.7

0.085 0.080 0.071

0.036

0.034 0.032 0.009 0.009 0.009

0.002 0.002 0.002

0.002 0.002 0.002

94.63

0.131 0.119 0.108

0.055

0.050 0.048 0.013 0.013 0. 011 0.004 0.004 0.004

0.002 0.002 0.002

113.6

0.182 0.168 0.152

0.078

0.071 0.066 0.020 0.018 0.018

0.006 0.006 0.006

0.002 0.002 0.002

132.5

0.103

0.096 0.089 0.027 0.025 0.023

0.009 0.009 0.009

0.004 0.004 0.002

151.4

0.133

0.124 0.115 0.034 0.032 0.030

0.011 0.011 0.011

0.004 0.004 0.004

0.002 0.002

170.3

0.143 0.041 0.039 0.036

0.013 0.013 0.013

0.006

0.006 0.004

0.002 0.002

0.002

189.3

0.050 0.048 0.046

0.018 0.016 0.016

0.006

0.006 0.006

0.002 0.002

0.002

227.1

0.071 0.069 0.064

0.025 0.023 0.023

0.011

0.009 0.009

0.002 0.002

0.002

265

0.096 0.089 0.085

0.032 0.032 0.030

0.013

0.013 0.011

0.004 0.002

0.002

302.8

0.043 0.039 0.036

0.018

0.016 0.016

0.004 0.004

0.004

340.7

0.053 0.050 0.046

0.023

0.020 0.020

0.046 0.004

0.004

378.5

0.064 0.060 0.057

0.027

0.025 0.023

0.069 0.006

0.006

454.2

0.080

0.039 0.036 0.034

0.009 0.009

0.009

529.9

0.050

0.084 0.043

0.013 0.011

0.011

605.6

0.064

0.060 0.057

0.016 0.016

0.013

681.3

0.020 0.018

0.018

757

0.025 0.023

0.023

946.3

0.036 0.034

0.034 0.048

1136 1325 1514

S O C I N C E T

1703

S O T A D

37

DATOS TECNICOS Tabla 6 . Longitud equivalente de conexiones a tubería en mts Diámetro (pulgadas)

Codo 90 °

Codo 45 °

Tee giro Tee paso Válvula de Válvula de de 90 ° recto compuerta globo

Válvula angular

3/ 8

0.30

0.30

0.45

0.10

0.06

2.45

1.20

1/ 2

0.60

0.40

0.90

0.20

0.12

4.40

2.45

3/ 4

0.75

0.45

1.20

0.25

0.15

6.10

3.65

1

0.90

0.55

1.50

0.27

0.20

7.60

4.60

11/4

1.20

0.80

1.80

0.40

0.25

10.50

5.50

11/2

1.50

0.90

2.15

0.45

0.30

13.50

6.70

2

2.15

1.20

3.05

0.60

0.40

16.50

8.50

21/2

2.45

1.50

3.65

0.75

0.50

19.50

10.50

3

3.05

1.80

4.60

0.90

0.60

24.50

12.20

31/2

3.65

2.15

5.50

1.10

0.70

30.00

15.00

4

4.25

2.45

6.40

1.20

0.80

37.50

16.50

5

5.20

3.05

7.60

1.50

1.00

42.50

21.00

6

6.10

3.65

9.15

1.80

1.20

50.00

24.50

Tabla 7. Radios recomendados para l iras de dila tación con tubería de cobre Pulgadas de expansión esperada 1/ 2

1 11/2 2 21/2 3 31/2 4

Radio “R” , e n pulgadas, diámetro nominal o estándar de tubo Longitud “L”, en pulgadas, diáme tro nominal o e stándar de tubo 1

/4

3

/8

1

/2

3

/4

1

1 1/ 4

1 1/ 2

2

2 1/ 2

3

3 1/ 2

4

R

6

7

8

9

11

12

13

15

16

18

19

20

L

38

44

50

59

67

74

80

91

102

111

120

128

R

9

10

11

13

15

17

18

21

23

25

27

29

L

54

63

70

83

94

104

113

129

144

157

169

180

R

11

12

14

16

18

20

22

25

28

30

33

35

L

66

77

86

101

115

127

138

158

176

191

206

220

R

12

14

16

19

21

23

25

29

32

35

38

41

L

77

89

99

117

133

147

160

183

203

222

239

255

R

144

16

18

21

24

26

29

33

36

40

43

45

L

86

99

111

131

149

165

179

205

227

248

267

285

R

15

17

19

23

26

29

31

36

40

43

47

50

L

94

109

122

143

163

180

196

224

249

272

293

312

R

16

19

21

25

28

31

34

39

43

47

50

54

L

102

117

131

155

176

195

212

242

269

293

316

337

R

17

20

22

26

30

33

36

41

46

50

54

57

L

109

126

140

166

188

208

226

259

288

314

338

361

38

DATOS TECNICOS Tabla 8. Consumo de soldadura (1/8”) Diámetro de la unión Por unión (mm) (cm)

Por 100 uniones (m)

50/50 kg

95/5 kg

9.5

1.3

1.30

0.108

0.091

12.7

1.6

1.60

0.133

0.112

19.0

2.2

2.20

0.183

0.154

25.4

2.9

2.90

0.241

0.204

31.7

3.5

3.50

0.291

0.246

38.1

4.1

4.10

0.341

0.288

50.8

5.4

5.40

0.450

0.379

63.5

6.7

6.70

0.558

0.471

76.2

8.0

8.00

0.666

0.562

101.6

10.5

10.50

0.875

0.738

Tabla 9 . Consumo de me tal de aporte o relle no Diámetro nominal

Consum o de m eta l d e a porte o re ll eno Alambre Varila Alambre Alambre 1 1 / 16 ”

1/

8”

x 50

3/

32 ”

1/

8”

P eso me di o por 100 uniones (gramos)

1/ 4

1/ 4

1/ 4

1/ 4

1/ 8

18.14

3/ 8

5/ 8

3/ 8

3/ 8

1/ 4

27.21

1/ 2

11/8

5/ 8

1/ 2

3/ 8

45.35

5/ 8

15/8

7/ 8

5/ 8

1/ 2

68.03

3/ 4

21/4

11/8

1

5/ 8

95.25

1

31/2

13/4

15/8

7/ 8

145.14

11/4

41/2

21/4

2

11/4

190.50

11/2

–

3

25/8

11/2

254.01

2

–

43/4

43/8

21/2

408.23

21/2

–

61/2

57/8

33/8

553.38

3

–

85/8

77/8

41/2

743.89

31/2

–

111/2

101/2

57/8

988.83

4

–

147/8

131/2

75/8

1274.59


39

DATOS TECNICOS Tabla 10. Metales de aporte para soldadura Clasificación 1

Porcentaje del principal elemento

Temperatura °C

Fósforo ( P) Zinc ( Zn) Cadmio ( Cd) Estaño ( Sn ) Cobre ( Cu) Solidificación Licuefacción

Plata

BCup-2

–

7.00-7.5

–

–

–

Sobrante

710

795

BCup-3

4.8-5.2

5.8-6.2

–

–

–

Sobrante

645

815

BCup-4

5.8-6.2

7.0-7.5

–

–

–

Sobrante

645

720

BCup-5

14.5-15.5

4.8-5.2

–

–

–

Sobrante

645

800

BAg-12

44-46

–

14-18

23-252

–

14-16

610

620

BAg-22

33-36

–

19-23

17-192

–

25-27

610

700

BAg-5

44-46

–

23-27

–

–

29-31

610

745

BAg-7

55-57

–

15-19

–

4.5-5.5

21-23

620

650

Tabla 11. Radio mínimo de curvado

N O I C P I R C S N I E D

Diámetro nominal (pulgadas)

Tipo de tubo

Temple

Radio mínimo de curvatura (pulgadas)

1/ 4

K-L

Flexible

3/ 4

3/ 8

K-L

Flexible

11/2

3/ 8

K-L

Rígido

13/4

1/ 2

K-L

Flexible

21/4

1/ 2

K-L

Rígido

21/2

3/ 4

K-L

Flexible

3

3/ 4

K-L

Rígido

3

1

K-L

Flexible

4

11/4

K-L

Flexible

9

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