El soplador Roots es una bomba de lóbulos de desplazamiento positivo que funciona bombeando un fluido con un par de lóbulos engranados que se asemejan a un conjunto de engranajes estirados. El fluido queda atrapado en bolsas que rodean los lóbulos y se transporta desde el lado de admisión hasta el de escape.
El diseño del soplador Roots no incorpora ninguna reducción en el volumen/aumento en la presión a medida que el aire u otro fluido pasa a través, por lo tanto, se puede describir mejor como un soplador en lugar de un supercargador, a diferencia de otros diseños de "supercargador" como cozette, céntrico, supercargador Shorrock , supercargador Powerplus y también el supercargador de flujo axial tipo Eaton que tienen "compresión" interna.
La aplicación más común del soplador tipo Roots ha sido el dispositivo de inducción en motores diésel de dos tiempos , como los producidos por Detroit Diesel y Electro-Motive Diesel . Los sopladores tipo Roots también se utilizan para sobrealimentar motores de ciclo Otto de cuatro tiempos , y el soplador se acciona desde el cigüeñal del motor a través de una correa dentada o trapezoidal , una cadena de rodillos o un tren de engranajes .
El soplador tipo Roots debe su nombre a los inventores y hermanos estadounidenses Philander y Francis Marion Roots , fundadores de la Roots Blower Company de Connersville, Indiana , quienes patentaron el diseño básico en 1860 como bomba de aire para su uso en altos hornos y otras aplicaciones industriales. En 1900, Gottlieb Daimler incluyó un soplador estilo Roots en un diseño de motor patentado, lo que convirtió al soplador tipo Roots en el más antiguo de los diversos diseños disponibles en la actualidad. Los sopladores Roots se conocen comúnmente como sopladores de aire o sopladores PD (desplazamiento positivo). [1]
El soplador tipo Roots es simple y ampliamente utilizado. Puede ser más eficaz que los supercargadores alternativos para desarrollar una presión positiva en el colector de admisión (es decir, por encima de la presión atmosférica) a bajas velocidades del motor, lo que lo convierte en una opción popular para aplicaciones de automóviles de pasajeros. El par máximo se puede lograr a unas 2000 rpm. A diferencia de la ilustración básica, la mayoría de los supercargadores modernos tipo Roots incorporan rotores de tres o cuatro lóbulos; esto permite que los lóbulos tengan un ligero giro [ aclaración necesaria ] a lo largo de los ejes del rotor, lo que reduce la pulsación en la entrada y la salida (esto es poco práctico con dos lóbulos, ya que incluso un ligero giro podría abrir un camino libre a través del supercargador en ciertos ángulos) [ cita requerida ] .
El calor acumulado es una consideración importante en el funcionamiento de un compresor en un motor de combustión interna . De los tres tipos básicos de supercargadores, el diseño Roots históricamente poseía la peor eficiencia térmica , especialmente en relaciones de presión altas. [2] [3] De acuerdo con la ley de los gases ideales , una operación de compresión aumentará la temperatura de la salida comprimida. Además, el funcionamiento del compresor en sí requiere una entrada de energía, que se convierte en calor y se puede transferir al gas a través de la carcasa del compresor, calentándolo más. Aunque los intercoolers son más conocidos por su uso en turbocompresores , los supercargadores también pueden beneficiarse del uso de un intercooler. La combustión interna se basa en un ciclo termodinámico , y una temperatura más baja de la carga de admisión da como resultado una mayor expansión termodinámica y viceversa. Una carga de admisión caliente provoca detonación en un motor de gasolina y puede fundir los pistones en un diésel, mientras que una etapa de intercooler agrega complejidad pero puede mejorar la potencia de salida al aumentar la cantidad de carga de entrada, exactamente como si el motor fuera de mayor capacidad. Un intercooler reduce la eficiencia termodinámica al perder el calor (potencia) introducido por la compresión, pero aumenta la potencia disponible debido a la mayor masa de trabajo para cada ciclo. Por encima de aproximadamente 5 psi (35 kPa), la mejora del intercooler puede llegar a ser espectacular. [ cita requerida ] Con un supercargador de tipo Roots, un método empleado con éxito es la adición de un intercambiador de calor delgado colocado entre el soplador y el motor. El agua circula a través de él hasta una segunda unidad colocada cerca de la parte delantera del vehículo donde un ventilador y la corriente de aire ambiente pueden disipar el calor acumulado.
El diseño de Roots se utilizó comúnmente en motores diésel de dos tiempos (popularizados por las divisiones Detroit Diesel [camiones y autobuses] y Electro-Motive [ferrocarriles] de General Motors), que requieren algún tipo de inducción forzada , porque no hay una carrera de admisión separada. El motor diésel de dos tiempos de Rootes Co., utilizado en los vehículos Commer y Karrier , tenía un soplador tipo Roots; las dos empresas no están relacionadas.
Los sobrealimentadores utilizados en los motores de combustible superior , los autos divertidos y otros dragsters , así como los hot rods , son de hecho derivados de los sopladores de General Motors Coach Division para sus motores diésel industriales , que se adaptaron para su uso en automóviles en carreras de aceleración . El nombre del modelo de estas unidades delinea su tamaño: los sopladores 4-71 y 6-71, que alguna vez se usaron comúnmente, fueron diseñados para los diésel de la serie 71. Los dragsters de competencia actuales usan variantes GMC del mercado de accesorios similares en diseño a la serie 71, pero con la longitud del rotor y la caja aumentadas para una mayor capacidad; los hot rodders también usan reproducciones 6-71.
Los sopladores Roots se utilizan normalmente en aplicaciones en las que se debe mover un gran volumen de aire a través de un diferencial de presión relativamente pequeño. Esto incluye aplicaciones de bajo vacío, en las que el soplador Roots actúa solo o en combinación con otras bombas como parte de un sistema de alto vacío. Una aplicación industrial muy común es en los sistemas de transporte neumático [4] , en los que el soplador suministra un gran volumen de aire para el movimiento de sólidos a granel a través de tuberías.
Algunas sirenas de defensa civil utilizaban sopladores Roots para bombear aire al rotor (chopper) y así aumentar drásticamente su salida de sonido en todos los rangos de tono. Las más conocidas son la serie Thunderbolt de Federal Signal y la Hurricane de ACA (ahora American Signal Corporation). Estas sirenas se conocen como "sirenas supercargadas".
Los sopladores de raíces también se utilizan en sentido inverso para medir el caudal de gases o líquidos, por ejemplo, en medidores de gas .
Los sopladores de raíces se utilizaron para la presurización de la cabina de los aviones, inicialmente se investigaron inmediatamente antes de la Segunda Guerra Mundial (usando el supercargador Marshall ) y fueron fabricados por empresas como Sir George Godfrey and Partners, que siguieron enviando cantidades cada vez mayores en la década de 1960; luego fueron reemplazados por purgas de aire de las etapas de compresión de los motores a reacción. [5]
La forma más simple de un soplador Roots tiene rotores cicloidales , construidos con secciones tangenciales alternas de curvas hipocicloidales y epicicloidales . En un rotor de dos lóbulos, los círculos generadores más pequeños tienen un cuarto del diámetro del más grande. Los sopladores Roots reales pueden tener perfiles más complejos para una mayor eficiencia. Los lóbulos de un rotor no impulsarán el otro rotor con un juego libre mínimo en todas las posiciones, de modo que un par de engranajes separado proporciona la sincronización de los lóbulos.
Debido a que las bombas de lóbulos rotativos deben mantener una distancia entre los lóbulos, un soplador Roots de una sola etapa puede bombear gas solo a través de un diferencial de presión limitado. Si la bomba se utiliza más allá de su especificación, la compresión del gas genera suficiente calor para que los lóbulos se expandan hasta el punto de atascarse, dañando la bomba.
Las bombas Roots son capaces de bombear grandes volúmenes pero, como solo logran una compresión moderada, no es raro ver múltiples etapas de sopladores Roots, frecuentemente con intercambiadores de calor ( intercoolers ) en el medio para enfriar el gas. La falta de aceite en las superficies de bombeo permite que las bombas funcionen en entornos donde el control de la contaminación es importante. La alta tasa de bombeo de hidrocarburos permite que la bomba Roots proporcione un aislamiento efectivo entre las bombas aceitadas , como las bombas de compresión rotativas , y la cámara de vacío.
Una variante utiliza rotores en forma de garra para una mayor compresión.
El soplador tipo Roots puede alcanzar una eficiencia de aproximadamente el 70 % y, al mismo tiempo, alcanzar una relación de presión máxima de dos. Se pueden lograr relaciones de presión más altas, pero con una eficiencia decreciente. Debido a que un soplador tipo Roots bombea aire en pulsos discretos (a diferencia de un compresor de tornillo ), el ruido de pulsación y la turbulencia pueden transmitirse aguas abajo. Si no se gestionan adecuadamente (a través de la geometría de la tubería de salida) o no se tienen en cuenta (mediante el refuerzo estructural de los componentes aguas abajo), las pulsaciones resultantes pueden causar cavitación del fluido y/o daños a los componentes aguas abajo del soplador.
En cualquier soplador Roots que funcione en determinadas condiciones, aparecerá un único punto en el mapa. Este punto se elevará a medida que aumente la potencia y se moverá hacia la derecha a medida que aumente la velocidad del soplador. Se puede observar que, a velocidad moderada y con poca potencia, la eficiencia puede superar el 90 %. Esta es la zona en la que originalmente se pretendía que funcionaran los sopladores Roots, y son muy buenos en eso.
El impulso se da en términos de relación de presión, que es la relación entre la presión absoluta del aire antes del soplador y la presión absoluta del aire después de la compresión por el soplador. Si no hay impulso, la relación de presión será 1,0 (es decir, 1:1), ya que la presión de salida es igual a la presión de entrada. El impulso de 15 psi está marcado como referencia (ligeramente por encima de una relación de presión de 2,0 en comparación con la presión atmosférica). Con un impulso de 15 psi (100 kPa), los sopladores Roots oscilan entre el 50 % y el 58 %. Reemplazar un soplador más pequeño por uno más grande mueve el punto hacia la izquierda. En la mayoría de los casos, como muestra el mapa, esto lo moverá a áreas de mayor eficiencia a la izquierda, ya que es probable que el soplador más pequeño haya estado funcionando rápido a la derecha del gráfico. Por lo general, usar un soplador más grande y hacerlo funcionar más lento para lograr el mismo impulso dará un aumento en la eficiencia del compresor.
La eficiencia volumétrica del soplador tipo Roots es muy buena, y suele mantenerse por encima del 90 % en todas las velocidades, excepto en las más bajas. Por ello, un soplador que funcione a baja eficiencia seguirá suministrando mecánicamente el volumen de aire previsto al motor, pero ese aire estará más caliente. En las aplicaciones de carreras de aceleración, donde se inyectan grandes volúmenes de combustible con ese aire caliente, la vaporización del combustible absorbe el calor. Eso funciona como una especie de sistema de posenfriador líquido y contribuye en gran medida a anular la ineficiencia del diseño Roots en esa aplicación.
Los sopladores de lóbulos rotativos, comúnmente llamados boosters en aplicaciones de alto vacío, no se utilizan como bombas independientes. En aplicaciones de alto vacío, la velocidad de bombeo de los boosters se puede utilizar para reducir la presión final y aumentar la velocidad de bombeo.
Ventiladores Con un bajo aumento de presión, los ventiladores se utilizan comúnmente para mover cantidades importantes de gas. Por lo general, se emplean para la circulación de aire en edificios, ventilación de máquinas, equipos de refrigeración y otras aplicaciones industriales.
Sopladores Los sopladores son capaces de crear una presión de aire media con niveles de presión moderados. Se utilizan en aplicaciones donde la necesidad de presión es mayor que la de los ventiladores.
Compresores Los compresores generan presiones de aire más altas en aplicaciones industriales, generalmente entre 8 y 12 bares con menores caudales de aire.
El término "soplador" se utiliza comúnmente para definir un dispositivo colocado en los motores con una necesidad funcional de flujo de aire adicional utilizando un enlace mecánico directo como fuente de energía. El término soplador se utiliza para describir diferentes tipos de sobrealimentadores. Un sobrealimentador de tipo tornillo , un sobrealimentador de tipo Roots y un sobrealimentador centrífugo son todos tipos de lo que comúnmente se describe como sopladores, sin embargo, existe una distinción entre un sobrealimentador de tipo Roots, que es un "soplador" de bomba de desplazamiento positivo sin reducción de volumen interno/aumento de presión, y otros tipos de sobrealimentadores como el Powerplus de paletas excéntricas y el de flujo axial Eaton, que tienen compresión interna y se describen más correctamente como sobrealimentadores.
Por el contrario, un turbocompresor , que utiliza la compresión de los gases de escape para hacer girar su turbina, y no un vínculo mecánico directo, generalmente no se considera un "soplador", sino simplemente un "turbo".