El soplador Roots es una bomba lobular de desplazamiento positivo que funciona bombeando un fluido con un par de lóbulos engranados que se asemejan a un conjunto de engranajes estirados. El líquido queda atrapado en bolsas que rodean los lóbulos y se transporta desde el lado de admisión hasta el escape.
El diseño del soplador Roots no incorpora ninguna reducción de volumen ni aumento de presión a medida que pasa el aire u otro fluido, por lo que se puede describir mejor como un soplador en lugar de un sobrealimentador, a diferencia de otros diseños de "sobrealimentadores", como cozette, centric, El sobrealimentador Shorrock , el sobrealimentador Powerplus y también el sobrealimentador tipo Eaton de flujo axial 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 de tipo Roots también se utilizan para sobrealimentar motores de ciclo Otto de cuatro tiempos , siendo accionado el soplador desde el cigüeñal del motor mediante una correa dentada o en V , una cadena de rodillos o un tren de engranajes .
El soplador tipo Roots lleva el nombre de los inventores y hermanos estadounidenses Philander y Francis Marion Roots , fundadores de Roots Blower Company de Connersville, Indiana, EE. UU., quienes patentaron el diseño básico en 1860 como bomba de aire para 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 de raíces se conocen comúnmente como sopladores de aire o sopladores PD (desplazamiento positivo). [1]
El soplador tipo Roots es sencillo y muy utilizado. Puede ser más eficaz que los sobrealimentadores 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 alcanzar a unas 2000 rpm. A diferencia de la ilustración básica, la mayoría de los sobrealimentadores modernos de tipo Roots incorporan rotores de tres o cuatro lóbulos; esto permite que los lóbulos tengan un ligero giro [ se necesita aclaración ] a lo largo de los ejes del rotor, lo que reduce las pulsaciones en la entrada y la salida (esto no es práctico con dos lóbulos, ya que incluso un ligero giro podría abrir un camino libre a través del sobrealimentador en ciertos ángulos) [ cita necesaria ] .
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 sobrealimentadores, el diseño de 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 elevará la temperatura de la salida comprimida. Además, el funcionamiento del compresor en sí requiere un aporte de energía, que se convierte en calor y puede transferirse al gas a través de la carcasa del compresor, calentándolo más. Aunque los intercoolers son más conocidos por su uso en turbocompresores , los sobrealimentadores 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 derretir los pistones en un diésel, mientras que una etapa de intercooler añade complejidad pero puede mejorar la potencia de salida al aumentar la cantidad de carga de entrada, exactamente como si el motor fuera de mayor cilindrada. . Un intercooler reduce la eficiencia termodinámica al perder el calor (potencia) introducido por la compresión, pero aumenta la potencia disponible debido al aumento de la masa de trabajo en cada ciclo. Por encima de aproximadamente 5 psi (35 kPa), la mejora del interenfriamiento puede llegar a ser espectacular. [ cita necesaria ] Con un sobrealimentador 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 ubicada cerca de la parte delantera del vehículo, donde un ventilador y la corriente de aire ambiental pueden disipar el calor acumulado.
El diseño Roots se usaba comúnmente en motores diésel de dos tiempos (popularizados por las divisiones Detroit Diesel [camiones y autobuses] y Electro-Motive [ferrocarril] de General Motors), que requieren alguna forma de inducción forzada , porque no hay una entrada separada. ataque. La Rootes Co. el motor diésel de dos tiempos, utilizado en los vehículos Commer y Karrier , contaba con un soplador tipo Roots; las dos empresas no están relacionadas.
Los sobrealimentadores utilizados en motores de combustible superior , autos divertidos y otros dragsters , así como en hot rods , son de hecho derivados de los sopladores de la División de Autocares de General Motors para sus motores diesel industriales , que fueron adaptados para uso automotriz en carreras de resistencia . 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 motores diésel de la serie 71 . Los dragsters de competencia actuales utilizan variantes GMC del mercado de accesorios similares en diseño a la serie 71, pero con el rotor y la longitud de la caja aumentados para mayor capacidad; Los hot rodders también utilizan reproducción 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, con el soplador Roots actuando solo o en combinación con otras bombas como parte de un sistema de alto vacío. Una aplicación industrial muy común son 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 (helicóptero) a fin de aumentar drásticamente su salida de sonido en todos los rangos de tono. Los más conocidos son Federal Signal Thunderbolt Series y ACA (ahora American Signal Corporation) Hurricane. Estas sirenas se conocen como "sirenas sobrealimentadas".
Los sopladores de Roots también se utilizan a la inversa para medir el caudal de gases o líquidos, por ejemplo, en contadores de gas .
Los sopladores Roots se utilizaron para la presurización de la cabina de los aviones, inicialmente fueron investigados inmediatamente antes de la Segunda Guerra Mundial (usando el sobrealimentador Marshall ) y fabricados por compañías como Sir George Godfrey and Partners, que todavía enviaban 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 . Para un rotor de dos lóbulos, los círculos generadores más pequeños tienen un cuarto del diámetro del más grande. Los sopladores Real Roots pueden tener perfiles más complejos para una mayor eficiencia. Los lóbulos de un rotor no accionarán el otro rotor con un juego libre mínimo en todas las posiciones, de modo que un par de engranajes separados proporcionan la sincronización de los lóbulos.
Debido a que las bombas de lóbulos rotativos necesitan mantener un espacio libre 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 usa más allá de sus especificaciones, la compresión del gas genera suficiente calor como 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 soplador 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 engrasadas , como las bombas de compresión rotativas , y la cámara de vacío.
Una variante utiliza rotores en forma de garras para una mayor compresión.
El soplador tipo Roots puede alcanzar una eficiencia de aproximadamente el 70% y al mismo tiempo lograr 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 pulsaciones y la turbulencia pueden transmitirse aguas abajo. Si no se manejan 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 de fluido y/o daños a los componentes aguas abajo del soplador.
Para cualquier soplador de Roots que funcione en determinadas condiciones, aparecerá un solo punto en el mapa. Este punto aumentará al aumentar el impulso y se moverá hacia la derecha al aumentar la velocidad del ventilador. Se puede observar que, a velocidad moderada y bajo impulso, la eficiencia puede superar el 90%. Esta es el área en la que originalmente estaban destinados a operar 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 parte del soplador. Si no hay refuerzo, 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 aumento 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 el soplador más pequeño probablemente habrá 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 aumentará la eficiencia del compresor.
La eficiencia volumétrica del soplador tipo Roots es muy buena y generalmente se mantiene por encima del 90% en todas las velocidades del soplador, excepto en las más bajas. Por eso, un ventilador que funciona con baja eficiencia seguirá suministrando mecánicamente el volumen de aire previsto al motor, pero ese aire estará más caliente. En aplicaciones de carreras de resistencia, donde se inyectan grandes volúmenes de combustible con ese aire caliente, la vaporización del combustible absorbe el calor. Esto funciona como una especie de sistema de posenfriador líquido y contribuye en gran medida a anular la ineficiencia del diseño de Roots en esa aplicación.
Los sopladores de lóbulos rotativos, comúnmente llamados impulsores en aplicaciones de alto vacío, no se utilizan como bomba independiente. En aplicaciones de alto vacío, la velocidad de bombeo de los impulsores 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 sustanciales 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 usa comúnmente para definir un dispositivo colocado en 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 describen 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 flujo axial Eaton que tienen compresión interna y se describen más correctamente como sobrealimentadores.
Por el contrario, un turbocompresor , que utiliza la compresión del escape para hacer girar su turbina, y no un enlace mecánico directo, generalmente no se considera un "soplador", sino simplemente un "turbo".