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Compresor de pist贸n

Un聽compresor de pist贸n,聽compresor volum茅trico alternativo o compresor de 茅mbolo聽es un compresor de gases que funciona por el desplazamiento de un 茅mbolo dentro de un cilindro (puede tener varios) movido por un聽cig眉e帽al聽para obtener gases a alta presi贸n.聽El gas a comprimir entra, a presi贸n ambiental, por la v谩lvula de admisi贸n en el cilindro, donde se comprime con el pist贸n, que tiene un movimiento alternativo mediante un cig眉e帽al y un聽biela, y se descarga, comprimido, por la v谩lvula de descarga.

Es uno de los compresores m谩s antiguos y conocidos, aunque hoy se emplean especialmente los compresores rotativos. El principio de funcionamiento del compresor alternativo, basado en el desalojamiento del aire por el 茅mbolo, permite fabricar m谩quinas con peque帽o di谩metro y un recorrido insignificante del pist贸n, que desarrollan alta presi贸n con un caudal relativamente peque帽o.

Los compresores de pistones pueden clasificarse atendiendo a distintas caracter铆sticas:

Por el n煤mero de cilindros:

  • Monocil铆ndricos.
  • Bicil铆ndricos.
  • Policil铆ndricos

Por la forma de trabajar el 茅mbolo:

  • De simple efecto: la compresi贸n se efect煤a por una cara del pist贸n.
  • De doble efecto: la compresi贸n se realiza por las dos caras del pist贸n

Por el n煤mero de etapas empleadas en la compresi贸n:

  • Monoet谩pico.
  • Biet谩picos.
  • Poliet谩picos.

Por la disposici贸n de los pistones:

  • 聽Horizontales.
  • Verticales.
  • En V.
  • A escuadra.

Compresor de pist贸n

Los compresores monoet谩picos son de poca potencia. La presi贸n final alcanzada es de 4 a 5 bares, con una temperatura de salida entorno a los 180潞C (卤20潞C). La refrigeraci贸n es por aire. Los compresores biet谩picos son los m谩s utilizados. Primero se llega de 2 a 3 bares para luego alcanzar unos 8 bares, con una temperatura de salida de 150潞C (卤15潞C). La refrigeraci贸n puede ser por aire con un ventilador o por una corriente de agua.

Algunos de los compresores m谩s habituales en el mercado presentan las siguientes caracter铆sticas:

  • De simple efecto, monoet谩picos y refrigeraci贸n por aire: capacidad hasta 1 m3/min, relaci贸n potencia (CV)/capacidad (m3/min) inferior a 10.
  • De simple efecto, biet谩picos y refrigeraci贸n por aire: capacidad de 2 a 10 m3/min, relaci贸n potencia (CV)/capacidad (m3/min) de 7,5 a 8,5.
  • De doble efecto, biet谩picos y refrigeraci贸n por agua: capacidad de 10 a 100 m3/min, relaci贸n potencia (CV)/capacidad (m3/min) de 6,5 a 7,5.

 

En la Figura siguiente se representan las cuatro fases del ciclo termodin谩mico que se desarrollan en el caso m谩s simple de un compresor monoet谩pico de un cilindro de simple efecto.

  • Fase 1, admisi贸n (4-1): Con la v谩lvula de aspiraci贸n abierta, el pist贸n situado en el punto 4 inicia su avance hasta el 1 en el que se cierra la v谩lvula. Entra aire a una presi贸n P1.
  • Fase 2, compresi贸n (1-2): Al cerrarse la v谩lvula de admisi贸n, el pist贸n retrocede hasta 2 y el aire se comprime hasta la presi贸n P2.
  • Fase 3, expulsi贸n (2-3): En 2 se abre la v谩lvula de expulsi贸n y el pist贸n al seguir retrocediendo hasta 3 va expulsando el aire y dejando el volumen V3 correspondiente al espacio muerto del cilindro.
  • Fase 4, expansi贸n (3-4): En 3 se cierra la v谩lvula de expulsi贸n y el aire encerrado en el cilindro se expansiona haciendo avanzar el pist贸n hasta 4. En ese instante se abre la v谩lvula de admisi贸n, reinici谩ndose de nuevo el ciclo.

 

Ciclo termodinamico piston

Ciclo termodin谩mico de un compresor alternativo de un cilindro

Os dejo a continuaci贸n una animaci贸n sobre un compresor de pist贸n de doble efecto:

Tambi茅n os dejo una presentaci贸n del profesor Pedro Loja sobre el compresor de pist贸n:

Referencias:

YEPES, V.; MART脥, J.V. (2017).聽M谩quinas, cables y gr煤as empleados en la construcci贸n.聽Editorial de la Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

15 febrero, 2018
 
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Cimentaci贸n mediante cajones de aire comprimido

Disposici贸n general de un caj贸n neum谩tico (adaptado de Wilson y Sully, 1949)

Disposici贸n general de un caj贸n neum谩tico (adaptado de Wilson y Sully, 1949)

Un caj贸n es una estructura que hundida a trav茅s聽 del terreno o del agua permite colocar la cimentaci贸n a la profundidad de proyecto, y que posteriormente pasa a formar parte de la estructura definitiva. Estos cajones pueden ser de fondo abierto o de fondo cerrado (ver cajones flotantes). Nos centraremos en este post en los cajones de fondo abierto en las que existe una c谩mara de trabajo sometida a una presi贸n superior a la atmosf茅rica para impedir que el agua entre en la excavaci贸n. Se trata de las cimentaciones mediante cajones neum谩ticos o de aire comprimido.

Alguien puede preguntarse a qu茅 viene un post sobre una t茅cnica que tiene riesgos evidentes de ejecuci贸n y que ya en un art铆culo de Presa y Eraso (1970) nos avisaba que era una t茅cnica en trance de desaparecer. Hoy d铆a existen procedimientos (por ejemplo pilotes de gran di谩metro) que son m谩s sencillos de construir, suficientemente seguros, r谩pidos y econ贸micos que permiten evitar riesgos innecesarios, especialmente los procesos de compresi贸n y descompresi贸n que requieren tiempos suficientes, tal y como ocurre en los trabajos realizados por los buzos o submarinistas. Pues bien, razones hist贸ricas y docentes nos llevan
a analizar brevemente este procedimiento constructivo y a dejar unas cuantas referencias al lector curioso que quiera ampliar informaci贸n al respecto.

En 1830 el brit谩nico Thomas Cochrane ide贸 y patent贸 un sistema para cimentar en seco, mientras que en Francia, de forma paralela, el ingeniero de minas franc茅s Jacques Triger ide贸 en el a帽o 1839 un sistema para poder excavar en el interior de la mina de Chalonnes聽 -que dirig铆a- en la zona cubierta por el agua del cercano r铆o Loira. Mediante una c谩mara llena de aire a presi贸n consegu铆a evitar la entrada del agua y as铆 poder trabajar c贸modamente. Hab铆an inventado el caj贸n de aire comprimido.

Figura. Puente de Saltash (Isambar K. Brunel, 1854-1859) . Wikipedia

El aire comprimido fue empleado por primera vez en cajones de puentes por John Wright en 1851 para los pilares de puente Rochester, y algunos a帽os m谩s tarde por Isambard K. Brunel en el puente Saltash. El primero que lo utiliz贸 en cimentaciones de puentes muy grandes fue James B. Eads, en el puente St. Louis sobre el r铆o Mississippi, comenzado en 1864. El capit谩n Eads conoc铆a muy bien el Mississippi, por eso sab铆a que el lecho era muy socavable. En una ocasi贸n hab铆a buceado con escafandra durante una de las crecidas del ri贸 y pudo observar el movimiento de las arenas del fondo. Por eso no dud贸 en bajar las cimentaciones a gran profundidad por debajo del lecho del r铆o. Los dos pilares situados en el r铆o se hundieron por medio de aire comprimido hasta profundidades de 26 y 28 m bajo el nivel del agua, lo que constituy贸 un 茅xito notable ya que los efectos fisiol贸gicos al trabajar bajo elevadas presiones de aire eran m谩s o menos desconocidos por aquel tiempo. Los m茅todos de hundimiento ideados por Eads han variado hasta ahora 煤nicamente en algunos detalles. Daniel E. Moran introdujo en 1936 un nuevo tipo de caj贸n conocido con el nombre de 鈥caj贸n de flotaci贸n鈥, siendo empleado para el puente sobre la聽 bah铆a de San Francisco-Oakland.

Puente de St. Louis sobre el r铆o Mississippi (James B. Eads, 1864-1874). Wikipedia

Puente de Brooklyn, Nueva York (John Augustus Roebling, 1867-1883)

En Estados Unidos el ejemplo m谩s llamativo en el uso de cajones de aire comprimido es el puente de Brooklyn. Se trata de cajones de 52 por 31 m, en el lado de Nueva York, que se dividieron en seis habitaciones donde trabajaban entre 15 y 20 personas en cada una de ellas 鈥揾asta 180 personas en su interior- y lo bajaron cerca de 24 m bajo las aguas del Hudson. Hubo grandes problemas y accidentes con las descompresiones, donde la mitad de los trabajadores sufrieron graves secuelas, y donde el propio Washington Roebling,聽 ingeniero jefe tras la muerte de su padre John A. Roebling, dise帽ador del puente, sufri贸 tambi茅n las secuelas tras una visita de obra.

Cajones de aire comprimido para la cimentaci贸n del puente de Brooklyn

El procedimiento constructivo consiste en la hinca de un caj贸n con su borde inferior biselado o con forma de cuchilla que se va construyendo a medida que progresa la excavaci贸n del material que va quedando encerrado en su interior.聽Cuando se alcanza el lecho de roca, la c谩mara de trabajo se llena de hormig贸n y se convierte en la base permanente para la cimentaci贸n.聽 Su uso se limita a terrenos muy permeables o flojos debido al posible sifonamiento, cuando no sea posible el uso de un m茅todo alternativo. Antes de iniciar el proceso constructivo se hunde como un caj贸n abierto, tan profundo como sea posible. Mediante la inyecci贸n de aire comprimido se evita el desmoronamiento de las paredes.

El caj贸n de aire comprimido suele tener un cilindro de acceso para los trabajadores,聽 y otro cilindro independiente para los cangilones donde se coloca el material excavado. Hay unas compuertas herm茅ticas que permiten mantener constante la presi贸n de la campana durante la entrada y la salida de trabajadores y materiales. La presi贸n debe equilibrarse en ambos lados de la compuerta para poder abrirla.

Mediante este m茅todo se pueden llegar a estratos de hasta 35 m de profundidad bajo el nivel del agua (pues los hombres no pueden trabajar a presiones de aire superiores a los 3,5 kg/cm2), no es necesario el agotamiento, es posible el acceso directo al fondo para vencer ciertos obst谩culos durante el proceso de hinca y el fondo, una vez alcanzado, se puede observar y limpiar directamente, por lo que se garantiza unas condiciones buenas de cimentaci贸n. Sin embargo, entre los inconvenientes de este tipo de t茅cnica destacan los siguientes: costes unitarios por material excavado altos y primas por peligrosidad a los trabajadores, pues se puede producir la muerte de los trabajadores por asfixia si hay una descompresi贸n r谩pida de la c谩mara de trabajo. Ello obliga a duplicar las fuentes de energ铆a para mantener la seguridad en la presi贸n de aire.

Referencias:

Marsal, R.; Llor茅ns, M. (1980). Cimentaciones semiprofundas, en Jim茅nez-Salas, J.A. (Ed.) Geotecnia y Cimientos III: 212-251. Editorial Rueda, Madrid.

Presa, J.; Eraso, A. (1970). Las cimentaciones realizadas con cajones de aire comprimido. Una t茅cnica en trance de desaparecer. Revista de Obras P煤blicas, 117(3064):855-862.

Tomlinson, M.J. (1982). Dise帽o y construcci贸n de cimientos. Urmo, S.A. de Ediciones, Bilbao.

Willson, W.S.; Sully, F.W. (1949). Compressed-air caisson foundations. Inst. C.E. Works Comstruction Paper n煤m. 13.

YEPES, V. (2016).聽Procedimientos de construcci贸n de cimentaciones y estructuras de contenci贸n. Colecci贸n Manual de Referencia. Editorial Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia, 202聽pp. ISBN: 978-84-9048-457-9.

 

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22 septiembre, 2017
 
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