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 quede atrapado en el chorro y sea 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 adoptar la forma de una bomba de chorro eyector , un eyector de agua o un aspirador . Un eyector funciona según principios similares para crear una conexión de alimentación de vacío para sistemas de frenos, 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 utilizado para suministrar agua a las calderas de vapor, especialmente en las locomotoras de vapor. Es una aplicación típica del principio del inyector utilizado para suministrar agua fría a una caldera contra su propia presión, utilizando su propio vapor vivo o de escape, reemplazando cualquier bomba mecánica . Cuando se desarrolló por primera vez, su funcionamiento era intrigante porque parecía paradójico, casi como el movimiento perpetuo , pero luego se explicó utilizando la termodinámica . [4] Otros tipos de inyectores pueden utilizar otros fluidos motrices 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 funcionamiento desconocido y superficialmente paradójico, [6] : 5 el inyector se adoptó ampliamente 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 mediante experimentos con vapor. Un inyector de vapor tiene tres secciones principales: [6]
La figura 15 muestra cuatro esquemas que dibujó Kneass del vapor que pasa 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 esquemas de la parte inferior de la figura 15 son divergentes, pero el inferior es 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 de manera más lineal a medida que pasa por el conducto.
Un gas ideal se enfría durante la expansión adiabática (sin añadir 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 Rankine . El vapor realiza más trabajo que un gas ideal, porque el vapor 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 entremezcladas con vapor. [6]
Al final de la boquilla, el vapor tiene una velocidad muy alta, pero a una presión menor que la atmosférica, arrastrando 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 la corriente de agua ingrese a la caldera.
El inyector consiste en un cuerpo lleno de un fluido secundario, en el que se inyecta un fluido motriz. El fluido motriz induce el movimiento del fluido secundario. Los inyectores existen en muchas variantes y pueden tener varias etapas, cada una de las cuales repite el mismo principio básico de funcionamiento 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 por el "cono de combinación" convergente, el fluido mezclado se condensa completamente, liberando el calor latente de evaporación del vapor que imparte velocidad adicional al agua [ ¿cómo? ] . La mezcla de condensado luego ingresa a un "cono de entrega" divergente que ralentiza 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 antirretorno. [8] [9]
La mayor parte de la energía térmica del vapor condensado se devuelve a la caldera, lo que aumenta la eficiencia térmica del proceso. Por lo tanto, los inyectores suelen tener una eficiencia energética general superior al 98 %; además, 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 velocidad de evacuación son los parámetros clave de un eyector.
La relación de compresión y la relación de arrastre también pueden definirse:
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 arrastrada y comprimida por una cantidad dada (en kg/h) de fluido motor.
Otras propiedades clave de un inyector incluyen los requisitos de presión de entrada del fluido, es decir, si es de elevación o no.
En un inyector sin elevación, se necesita una presión de fluido de entrada positiva, por ejemplo, la entrada de agua fría se alimenta por gravedad.
El diámetro mínimo del orificio del cono de vapor se mantiene más grande 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 de elevación puede funcionar con presión de fluido de entrada negativa, es decir, con 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 rebosadero para que se descargue el exceso de vapor o agua, especialmente durante el arranque. Si el inyector no puede superar inicialmente la presión de la caldera, el rebosadero permite que el inyector continúe extrayendo agua y vapor.
Hay al menos una válvula de retención (llamada "válvula clack" en las locomotoras debido al ruido distintivo que produce [9] ) entre la salida del inyector y la caldera para evitar el reflujo, y generalmente una válvula para evitar que se aspire aire en el desbordamiento.
La eficiencia se mejoró aún más con el desarrollo de un inyector de varias etapas que no se alimenta 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 podían utilizar un suministro de vapor vivo si no había vapor de escape disponible.
Los inyectores pueden resultar problemáticos en determinadas condiciones de funcionamiento, como cuando la vibración hace que el chorro combinado de vapor y agua se "desconecte". Originalmente, el inyector tenía que reiniciarse manipulando con cuidado los controles de vapor y agua, y la distracción causada por un inyector defectuoso fue en gran medida responsable del accidente ferroviario de Ais Gill de 1913. Los inyectores posteriores se diseñaron para reiniciarse automáticamente al detectar el colapso del vacío del chorro de vapor, por ejemplo, con un cono de suministro accionado por resorte.
Otro problema común ocurre cuando el agua entrante está demasiado caliente y es menos eficaz para condensar el vapor en el cono de combinación. Esto también puede ocurrir si el cuerpo metálico del inyector está demasiado caliente, por ejemplo, debido a un uso prolongado.
Las partes internas de un inyector están sujetas a desgaste erosivo, particularmente daños en la garganta del cono de suministro que pueden deberse a cavitación . [13]
Un uso adicional de la tecnología de inyectores es en los eyectores de vacío en los sistemas de frenado continuo de trenes , que se hicieron obligatorios en el Reino Unido por la Ley de Regulación de Ferrocarriles de 1889. Un eyector de vacío utiliza presión de vapor para extraer aire de la tubería de vacío y los depósitos de freno continuo del tren. Las locomotoras de vapor, con una fuente de vapor lista, encontraron que la tecnología de eyectores era ideal por su simplicidad robusta y falta de partes móviles. Una locomotora de vapor generalmente tiene dos eyectores: un eyector grande para liberar los frenos cuando está parada y un eyector pequeño para mantener el vacío contra fugas. El escape de los eyectores se dirige invariablemente a la caja de humos, por lo que ayuda al soplador a aspirar el fuego. El eyector pequeño a veces se reemplaza por una bomba reciprocante impulsada desde la cruceta porque es más económica de vapor y solo se requiere 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 mayor fuerza de frenado debido a la mayor diferencia con la presión atmosférica.
Una aplicación empírica del principio se utilizó ampliamente en las locomotoras de vapor antes de su desarrollo formal como inyector, en la forma de la disposición del tubo de escape y la chimenea en la caja de humos de la locomotora. El boceto de la derecha muestra una sección transversal de una caja de humos, girada 90 grados; se puede ver que están presentes los mismos componentes, aunque con nombres diferentes, que 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 escape, para reducir la presión dentro de la caja de humos al arrastrar 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 usa, 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 ello, 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, con la mayor parte del flujo que sale del sistema, mientras que una parte del flujo se devuelve a la bomba de chorro instalada bajo tierra en el pozo. Esta parte recirculada del fluido bombeado se utiliza para alimentar el chorro. En la bomba de chorro, el flujo de retorno de alta energía y baja masa impulsa más fluido fuera del pozo, convirtiéndose en un flujo de baja energía y alta masa que luego se canaliza 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 limitadas a una profundidad de aproximadamente 5-8 m para evitar la cavitación .
Las bombas para pozos profundos son aquellas en las que el chorro se encuentra en el fondo del pozo. La profundidad máxima de las bombas para 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 en pozos profundos es la capacidad de ubicar 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 sumergible eléctrica ha reemplazado en parte la necesidad de bombas de pozo de tipo chorro, excepto para pozos de punta hincada 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 de eyección. La condensación del vapor motriz mejora en gran medida la eficiencia del conjunto eyector; se utilizan tanto condensadores barométricos como 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 pone en funcionamiento para reducir el vacío desde la presión inicial hasta una presión intermedia. Una vez que se alcanza esta presión, el eyector HV se pone en funcionamiento junto con el eyector LV para finalmente llevar el 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). Como en el sistema de dos etapas, inicialmente se hace funcionar el eyector LV para reducir el vacío desde la presión inicial hasta una presión intermedia. Una vez que se alcanza esta presión, se hace funcionar el eyector HV junto con el eyector LV para llevar el vacío a la presión intermedia inferior. Por último, se hace funcionar el propulsor (junto con los eyectores HV y LV) para llevar el vacío a la presión requerida.
Los inyectores o eyectores están hechos de 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
