Un inyector es un sistema de conductos y boquillas que se utiliza para dirigir el flujo de un fluido a alta presión de tal manera que un fluido de menor presión sea arrastrado en el chorro y transportado a través de un conducto a una región de mayor presión. Es una bomba fluidodinámica sin partes móviles excepto una válvula para controlar el flujo de entrada.
Dependiendo de la aplicación, un inyector también puede tomar la forma de una bomba de chorro eductor , un eductor de agua o un aspirador . Un eyector funciona con principios similares para crear una conexión de alimentación de vacío para sistemas de frenado, etc.
El fluido motor puede ser un líquido, vapor o cualquier otro gas. El fluido de succión arrastrado puede ser un gas, un líquido, una suspensión o una corriente de gas cargada de polvo. [1] [2] [3]
El inyector de vapor es un dispositivo común que se utiliza para suministrar agua a calderas de vapor, especialmente en locomotoras de vapor. Es una aplicación típica del principio del inyector que sirve para suministrar agua fría a una caldera contra su propia presión, utilizando su propio vapor vivo o de escape, sustituyendo cualquier bomba mecánica . Cuando se desarrolló por primera vez, su funcionamiento era intrigante porque parecía paradójico, casi como un movimiento perpetuo , pero luego se explicó mediante la termodinámica . [4] Otros tipos de inyectores pueden utilizar otros fluidos motores presurizados, como el aire.
El inyector fue inventado por Henri Giffard a principios de la década de 1850 y patentado en Francia en 1858, para su uso en locomotoras de vapor . [5] Fue patentado en el Reino Unido por Sharp, Stewart and Company de Glasgow .
Después de cierto escepticismo inicial resultante del modo de operación desconocido y superficialmente paradójico, [6] : 5 el inyector fue ampliamente adoptado para las locomotoras de vapor como una alternativa a las bombas mecánicas. [6] : 5,7
Strickland Landis Kneass fue un ingeniero civil , experimentador y autor, con muchos logros relacionados con el ferrocarril. [7] Kneass comenzó a publicar un modelo matemático de la física del inyector, que había verificado experimentando con vapor. Un inyector de vapor tiene tres secciones principales: [6]
La figura 15 muestra cuatro bocetos que Kneas dibujó de vapor pasando por una boquilla. En general, los flujos compresibles a través de un conducto divergente aumentan la velocidad a medida que el gas se expande. Los dos bocetos en la parte inferior de la figura 15 son ambos divergentes, pero el inferior está ligeramente curvado y produjo el flujo de mayor velocidad paralelo al eje. El área de un conducto es proporcional al cuadrado del diámetro y la curvatura permite que el vapor se expanda más linealmente a medida que pasa por el conducto.
Un gas ideal se enfría durante la expansión adiabática (sin agregar calor), liberando menos energía que la que liberaría el mismo gas durante la expansión isotérmica (temperatura constante). La expansión del vapor sigue un proceso termodinámico intermedio llamado ciclo de Rankine . El vapor realiza más trabajo que un gas ideal, porque permanece caliente durante la expansión.
El calor adicional proviene de la entalpía de vaporización , ya que parte del vapor se condensa nuevamente en gotas de agua mezcladas con vapor. [6]
Al final de la boquilla, el vapor tiene una velocidad muy alta, pero a una presión inferior a la atmosférica, aspirando agua fría que queda arrastrada en la corriente, donde el vapor se condensa en gotas de agua en un conducto convergente.
El tubo de impulsión es un conducto divergente donde la fuerza de desaceleración aumenta la presión, permitiendo que el chorro de agua ingrese a la caldera.
El inyector consta de un cuerpo lleno de un fluido secundario, en el que se inyecta un fluido motor. El fluido motor induce el movimiento del fluido secundario. Los inyectores existen en muchas variaciones y pueden tener varias etapas, cada una de las cuales repite el mismo principio operativo básico, para aumentar su efecto general.
Utiliza el efecto Venturi de una boquilla convergente-divergente en un chorro de vapor para convertir la energía de presión del vapor en energía de velocidad , reduciendo su presión por debajo de la de la atmósfera, lo que le permite arrastrar un fluido (por ejemplo, agua). Después de pasar a través del "cono de combinación" convergente, el fluido mezclado se condensa completamente, liberando el calor latente de evaporación del vapor que imparte velocidad extra al agua [ ¿ cómo? ] . Luego, la mezcla de condensado ingresa a un "cono de entrega" divergente que desacelera el chorro, convirtiendo la energía cinética nuevamente en energía de presión estática por encima de la presión de la caldera, lo que permite su alimentación a través de una válvula de retención. [8] [9]
La mayor parte de la energía térmica del vapor condensado regresa a la caldera, lo que aumenta la eficiencia térmica del proceso. Por lo tanto, los inyectores suelen tener una eficiencia energética superior al 98 % en general; También son simples en comparación con las numerosas piezas móviles de una bomba de alimentación.
La velocidad de alimentación de fluido y el rango de presión de operación son los parámetros clave de un inyector, y la presión de vacío y la tasa de evacuación son los parámetros clave de un eyector.
La relación de compresión y la relación de arrastre también se pueden definir:
La relación de compresión del inyector, se define como la relación entre la presión de salida del inyector y la presión de entrada del fluido de succión .
La relación de arrastre del inyector, , se define como la cantidad (en kg/h) de fluido de succión que puede ser arrastrado y comprimido por una cantidad determinada (en kg/h) de fluido motor.
Otras propiedades clave de un inyector incluyen los requisitos de presión de entrada del fluido, es decir, si se eleva o no.
En un inyector sin elevación, se necesita una presión positiva del fluido de entrada, por ejemplo, la entrada de agua fría se alimenta por gravedad.
El diámetro mínimo del orificio del cono de vapor se mantiene mayor que el diámetro mínimo del cono de combinación. [10] El inyector Nathan 4000 sin elevación utilizado en el Southern Pacific 4294 podría impulsar 12.000 galones estadounidenses (45.000 L) por hora a 250 psi (17 bar). [11]
El inyector elevador puede funcionar con una presión de fluido de entrada negativa, es decir, fluido que se encuentra por debajo del nivel del inyector. Se diferencia del tipo sin elevación principalmente en las dimensiones relativas de las boquillas. [12]
Se requiere un desbordamiento para descargar el exceso de vapor o agua, especialmente durante el arranque. Si el inyector no puede superar inicialmente la presión de la caldera, el desbordamiento permite que el inyector continúe extrayendo agua y vapor.
Hay al menos una válvula de retención (llamada "válvula de clack" en las locomotoras debido al ruido distintivo que hace [9] ) entre la salida del inyector y la caldera para evitar el reflujo y, generalmente, una válvula para evitar que se succione aire. en el desbordamiento.
La eficiencia se mejoró aún más mediante el desarrollo de un inyector multietapa que no funciona con vapor vivo de la caldera sino con vapor de escape de los cilindros, aprovechando así la energía residual del vapor de escape que de otro modo se desperdiciaría. Sin embargo, un inyector de escape tampoco puede funcionar cuando la locomotora está parada; Los inyectores de escape posteriores podrían utilizar un suministro de vapor vivo si no hubiera vapor de escape disponible.
Los inyectores pueden ser problemáticos bajo ciertas condiciones de funcionamiento, como cuando la vibración hace que el chorro combinado de vapor y agua "se desprenda". Originalmente, el inyector debía reiniciarse mediante una manipulación cuidadosa de los controles de vapor y agua, y la distracción causada por un inyector defectuoso fue en gran parte responsable del accidente ferroviario de Ais Gill en 1913 . Los inyectores posteriores fueron diseñados para reiniciarse automáticamente al detectar el colapso en el vacío del chorro de vapor, por ejemplo con un cono de suministro accionado por un resorte.
Otro problema común ocurre cuando el agua entrante está demasiado caliente y es menos efectiva para condensar el vapor en el cono combinado. Esto también puede ocurrir si el cuerpo metálico del inyector está demasiado caliente, por ejemplo por un uso prolongado.
Las partes internas de un inyector están sujetas a desgaste erosivo, particularmente daños en la garganta del cono de entrega que pueden deberse a la cavitación . [13]
Un uso adicional de la tecnología de inyectores son los eyectores de vacío en los sistemas de frenado continuo de trenes , que se hicieron obligatorios en el Reino Unido mediante la Ley de Regulación de Ferrocarriles de 1889 . Un eyector de vacío utiliza la presión del vapor para extraer aire de la tubería de vacío y de los depósitos de freno continuo del tren. Las locomotoras de vapor, con una fuente de vapor lista, encontraron ideal la tecnología de eyección por su robusta simplicidad y falta de piezas móviles. Una locomotora de vapor suele tener dos eyectores: un eyector grande para soltar los frenos cuando está parado y un eyector pequeño para mantener el vacío contra fugas. El escape de los eyectores se dirige invariablemente a la cámara de humo, por lo que ayuda al soplador a expulsar el fuego. El pequeño eyector a veces se reemplaza por una bomba alternativa impulsada desde la cruceta porque es más económica en cuanto a vapor y solo es necesario que funcione cuando el tren está en movimiento.
Los frenos de vacío han sido reemplazados por frenos de aire en los trenes modernos, que permiten el uso de cilindros de freno más pequeños y/o una mayor fuerza de frenado debido a la mayor diferencia con la presión atmosférica.
Una aplicación empírica del principio fue de uso generalizado en las locomotoras de vapor antes de su desarrollo formal como inyector, en la forma de la disposición del tubo de explosión y la chimenea en la caja de humos de la locomotora. El boceto de la derecha muestra una sección transversal de una caja de humo, girada 90 grados; Se puede ver que están presentes los mismos componentes, aunque con nombres diferentes, como en el diagrama genérico de un inyector en la parte superior del artículo. El vapor de escape de los cilindros se dirige a través de una boquilla en el extremo del tubo de explosión, para reducir la presión dentro de la cámara de humo arrastrando los gases de combustión de la caldera que luego se expulsan a través de la chimenea. El efecto es aumentar el tiro del fuego en un grado proporcional a la tasa de consumo de vapor, de modo que cuanto más vapor se utiliza, más calor se genera a partir del fuego y también aumenta la producción de vapor. El efecto fue observado por primera vez por Richard Trevithick y posteriormente desarrollado empíricamente por los primeros ingenieros de locomotoras; El Rocket de Stephenson hizo uso de él, y esto constituye en gran parte la razón de su rendimiento notablemente mejorado en comparación con las máquinas contemporáneas.
El uso de inyectores (o eyectores) en diversas aplicaciones industriales se ha vuelto bastante común debido a su relativa simplicidad y adaptabilidad. Por ejemplo:
Las bombas de chorro se utilizan comúnmente para extraer agua de pozos de agua . La bomba principal, a menudo una bomba centrífuga , se alimenta y se instala a nivel del suelo. Su descarga se divide, saliendo la mayor parte del flujo del sistema, mientras que una parte del flujo regresa a la bomba de chorro instalada bajo tierra en el pozo. Esta parte recirculada del fluido bombeado se utiliza para impulsar el chorro. En la bomba de chorro, el flujo de retorno de alta energía y baja masa impulsa más fluido desde el pozo, convirtiéndose en un flujo de baja energía y alta masa que luego se conduce a la entrada de la bomba principal.
Las bombas para pozos poco profundos son aquellas en las que el conjunto de chorro está conectado directamente a la bomba principal y están limitados a una profundidad de aproximadamente 5 a 8 m para evitar la cavitación .
Las bombas para pozos profundos son aquellas en las que el chorro se sitúa en el fondo del pozo. La profundidad máxima para bombas de pozos profundos está determinada por el diámetro interior y la velocidad a través del chorro. La principal ventaja de las bombas de chorro para instalaciones de pozos profundos es la capacidad de situar todas las piezas mecánicas (por ejemplo, motor eléctrico/de gasolina, impulsores giratorios) en la superficie del suelo para facilitar el mantenimiento. La llegada de la bomba eléctrica sumergible ha reemplazado en parte la necesidad de bombas de pozo de tipo chorro, excepto para pozos puntuales impulsados o tomas de agua superficial.
En la práctica, para presiones de succión inferiores a 100 mbar absolutos, se utiliza más de un eyector, normalmente con condensadores entre las etapas del eyector. La condensación del vapor motriz mejora en gran medida la eficiencia del conjunto eyector; Se utilizan condensadores barométricos y de superficie de carcasa y tubos .
En funcionamiento, un sistema de dos etapas consta de un eyector primario de alto vacío (HV) y un eyector secundario de bajo vacío (LV). Inicialmente, el eyector LV se opera para reducir el vacío desde la presión inicial hasta una presión intermedia. Una vez que se alcanza esta presión, el eyector HV se opera junto con el eyector LV para finalmente generar vacío a la presión requerida.
En funcionamiento, un sistema de tres etapas consta de un propulsor primario, un eyector secundario de alto vacío (HV) y un eyector terciario de bajo vacío (LV). Según el sistema de dos etapas, inicialmente el eyector LV se opera para reducir el vacío desde la presión inicial a una presión intermedia. Una vez que se alcanza esta presión, el eyector HV se opera junto con el eyector LV para generar vacío hasta la presión intermedia más baja. Finalmente, se opera el refuerzo (junto con los eyectores HV y LV) para generar vacío a la presión requerida.
Los inyectores o eyectores están fabricados en acero al carbono , acero inoxidable , latón , titanio , PTFE , carbono y otros materiales.
Patente de Estados Unidos 4847043... recirculación de un refrigerante en un reactor nuclear
