Sistemas de Escape

GUÍA

DE

APLICACIÓN

E

INSTALACIÓN

SISTEMAS DE ESCAPE

G3600 • G3500 G3400 • G3300 3.600 • C175 • 3500 C32 • 3412E • 3400 • 3126B C18 • C-16 • C-15 • C15 C13 • C-12 • C11 • C-10 C9 • C-9 • C7

Contenido Sistemas de escape ...................................................................... 1 Componentes del sistema ............................................................. 3 Múltiple de escape .................................................................... 3 Múltiples secos ..................................................................... 3 Múltiples enfriados en agua.................................................. 3 Múltiples con protector aislador enfriados por agua ............. 4 Protección térmica .................................................................... 4 Mantas (protectores blandos para múltiples de escape) ...... 4 Envoltura dura (protectores duros para múltiples de escape) .............................................................................................. 5 Protectores y blindajes ......................................................... 5 Turbocompresores .................................................................... 5 Válvula de derivación de gases de escape .......................... 6 Conexiones de escape flexibles................................................ 6 Mangueras metálicas flexibles y fuelles ............................... 6 Juntas deslizantes ................................................................ 8 Silenciador .............................................................................. 10 Clasificación de silenciadores............................................. 10 Selección del silenciador .................................................... 10 Tubería del sistema de escape.................................................... 12 Diseño del sistema de escape ................................................ 12 Boquillas para sistema de escape ...................................... 14 Aislamiento de la tubería de escape................................... 14 Prevención de ingreso de agua .......................................... 15 Contrapresión del sistema de escape ..................................... 15

Medición de la contrapresión.............................................. 16 Cálculo de la contrapresión ................................................ 19 Longitud equivalente de tubería recta ................................ 19 Sistemas de escape combinados ....................................... 19 Consideraciones de soporte de la tubería............................... 20 Expansión térmica .............................................................. 20 Carga del turbocompresor .................................................. 20 Cálculos de la carga ........................................................... 21 Escape vertical ................................................................... 21 Escape horizontal ............................................................... 21 Transmisión de la vibración ................................................ 23 Descarga del escape .............................................................. 23 Tubo de escape común ...................................................... 23 Módulo de potencia o contenedor drop over ...................... 24 Limpieza durante la instalación ............................................... 26 Babeo o apilamiento húmedo ................................................. 26 Sistemas de escape para aplicaciones específicas..................... 27 Sistema de escape seco para aplicaciones marinas .............. 27 Sistema de ventilación automática del expulsor del sistema de escape marino......................................................................... 27 Pautas de diseño de conductos .............................................. 27 Sistema de escape húmedo marino........................................ 33 Elevadores de escape ........................................................ 35 Silenciadores de levantamiento de agua ................................ 35 Acción de las olas y sistemas de escape húmedos ................ 36 Cámara de sobrecarga....................................................... 37 Válvula en la descarga del escape ..................................... 38

Mangueras comparadas con tuberías de escape rígidas ....... 38 Ubicación del orificio de descarga del escape ........................ 38 Válvulas en las tuberías de enfriamiento de agua de escape ............................................................................................ 38

Prólogo

C9

C-10/C-12

C11/C13

3406E

C-15/C-16

C18/C15

3412E

C27/C32

3500

C175

3600

G3300/G3400

G3500

G3600

Múltiples enfriados por agua Múltiples con protector aislador enfriados por agua Protectores blandos Protectores duros Silenciadores de escape

C-9

Múltiples secos

C7

z =Estándar =Optativo - =No disponible

3126B

Esta sección de la Guía de Aplicación e Instalación describe en términos generales la amplia gama de requisitos y opciones de los Sistemas de Escape de los motores Caterpillar® indicados en la portada de esta sección. Otros sistemas de motores, componentes y principios se tratan en otras secciones de esta Guía de Aplicación e Instalación. La información y los datos específicos de cada motor se pueden obtener de diferentes fuentes. Consulte la sección ‘Introducción’ de esta guía para obtener referencias adicionales. Los sistemas y los componentes descritos en esta guía pueden no estar disponibles o no aplicar a todos los motores. La siguiente lista indica los diseños de componentes de escape usados en cada modelo de motor Caterpillar. Consulte la Lista de Precios para obtener datos específicos de opciones y compatibilidad.

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† Turbocompresor con cubiertas protectoras blandas, pero sin múltiples.

La información contenida en esta publicación puede considerarse confidencial. Se recomienda discreción en su distribución. Los materiales y especificaciones están sujetos a cambio sin previo aviso. CAT, CATERPILLAR, sus logotipos respectivos y el color “Caterpillar Yellow”, así como la identidad corporativa y del producto usados aquí, son marcas comerciales registradas de Caterpillar y no pueden usarse sin autorización.

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Guía de Aplicación e Instalación

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Sistemas de escape Los sistemas de escape bien diseñados recogen los gases de escape de los cilindros del motor y los descargan de la manera más rápida y silenciosa posible. Las consideraciones principales de diseño del sistema incluyen: •

Minimizar la resistencia al flujo de gas (contrapresión) y mantenerla dentro de los límites especificados para el modelo y la clasificación del motor específico con el fin de proporcionar la máxima eficiencia.

•

Reducir la emisión de ruido de escape para cumplir con las normas locales y los requisitos de la aplicación.

•

Proporcionar un espacio libre adecuado entre los componentes del sistema de escape y los componentes del motor, las estructuras de la máquina, las áreas abiertas y cerradas del motor, y las estructuras de las edificaciones cercanas para reducir el impacto de las temperaturas de escape altas sobre estos elementos.

•

Asegurarse de que el sistema no sobrecargue los componentes del motor, como turbocompresores y múltiples con peso en exceso. La sobrecarga puede acortar la vida útil de los componentes del motor.

•

Asegurarse de que los componentes del sistema de escape pueden irradiar toda la energía calorífica en conformidad con el diseño original. Los turbocompresores y múltiples secos no deben envolverse o protegerse con componentes no Caterpillar o la aprobación de Caterpillar.

CONTENIDO DE LA SECCIÓN Componentes del sistema ..... 2 • Múltiples

•

Contrapresión

•

•

Limpieza

Protección térmica

•

Turbocompresores

•

Conexiones

• Babeo Sistemas de escape para aplicaciones específicas ............................23 • Escape seco para aplicaciones marinas

• Silenciadores Tubería del sistema de escape ................................................. 9 • Diseño del sistema •

Consideraciones de soporte de la tubería

•

Descarga de gases de escape

•

Boquillas

•

Admisión de agua


•

Ventilación automática del expulsor

•

Diseño de conductos

•

Escape húmedo para aplicaciones marinas

•

Silenciadores de levantamiento de agua

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•

Acción de las olas en el escape húmedo

•

Mangueras comparadas con tuberías

•

Orificio de descarga


Sistemas de Escape

Componentes del sistema Los componentes principales de un sistema de escape incluyen, pero no se limitan a, el múltiple de escape, el turbocompresor, la válvula de derivación de gases de escape, la tubería y el silenciador. A continuación se explica cada uno de los componentes y su función.

Múltiple de escape Los múltiples de escape del motor recogen el gas de escape de cada cilindro y lo conducen a una salida de escape. El múltiple está diseñado para que la contrapresión y la turbulencia sean mínimas. Los productos Caterpillar usan diseños de múltiples enfriados por agua y con protector aislador (ASWC), de acuerdo con los requisitos del diseño y de la aplicación. Vea la Figura No. 1 para diferentes configuraciones del múltiple.

Figura No. 1


Múltiples secos El múltiple seco es el diseño preferido. Es económico y al proporcionar la máxima energía de escape posible al turbocompresor ofrece la mayor eficiencia general. Los múltiples secos, sin embargo, también irradian la mayor parte del calor y tienen las temperaturas de superficie más altas. Algunas aplicaciones requieren temperaturas bajas en la superficie del múltiple. Por ejemplo, la Agencia de Salud y Seguridad en Minas (MSHA), la norma "ATmospeheres Explosibles (ATEX)" y las sociedades marinas requieren que las temperaturas de la superficie del motor sean menores de 200°C (400°F) en ciertas minas. Las mantas y los protectores térmicos están disponibles para algunos productos Caterpillar para cumplir con los requerimientos de temperaturas bajas de la superficie del motor. Algunos productos marinos tienen como opción múltiples enfriados por agua. Los motores de gas funcionan con una temperatura de escape más alta si se compara con los motores diesel. Debido a estas temperaturas de escape altas, algunos modelos usan múltiples enfriados por agua o múltiples con protector aislador enfriados por agua. Múltiples enfriados en agua Los conductos de los múltiples enfriados por agua permiten al refrigerante de la camisa del motor fluir alrededor del múltiple, absorbiendo el calor, que de otro modo sería transportado por los gases de escape. Las temperaturas de la Página 3

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superficie de los múltiples enfriados por agua son considerablemente más bajas que las de los múltiples secos, sin embargo, la irradiación de calor al agua de la camisa aumenta en un 20% a 40%. Este aumento requiere un sistema de enfriamiento de mayor capacidad. Los múltiples enfriados por agua también reducen la energía calorífica de escape entregada al turbocompresor. Por esto se requiere el uso de un turbocompresor apropiado para obtener la eficiencia máxima. El turbocompresor usado en las aplicaciones con múltiple seco puede no ser apropiado para aplicaciones con múltiples enfriados por agua. Múltiples con protector aislador enfriados por agua Los múltiples con protector aislador enfriados por agua (ASWC) usan una cavidad de aire aislante entre el múltiple de escape y el blindaje de agua. El agua del motor circula alrededor del protector aislador, pero no entra en contacto directo con el múltiple interno. Ésto reduce la carga de enfriamiento necesaria de agua de la camisa y mantiene más energía de escape disponible para el turbocompresor.

Protección térmica Nota: Instalar protectores o envolturas blandas no apropiados puede causar daños al sistema de escape. El daño producido por componentes no aprobados no tiene cobertura por garantía de calidad y mano de obra sin aprobación de Caterpillar. Si son necesarias temperaturas de escape de superficie más bajas, debe considerarse una evaluación adicional

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de las opciones de cilindrada y clasificación (A-E). La protección térmica puede usarse como medio de blindar las superficies calientes y proteger los componentes y operadores del calor excesivo. El uso de protectores térmicos depende de muchos factores incluyendo, pero no limitados a, tipo de instalación, requisitos ambientales y normativos. Los protectores también pueden ser un medio eficaz para proporcionar seguridad. Los protectores diseñados y suministrados por Caterpillar resultan adecuados para este propósito. Cualquier protector adaptado por el cliente debe ser diseñado e instalado cuidadosamente para asegurarse de que el motor no sufrirá daño. Debe tenerse especial cuidado con envolturas y protectores no proporcionados por Caterpillar que puedan aumentar la temperatura superficial del componente. Un flujo de aire adecuado alrededor del protector puede ayudar a reducir los aumentos de la temperatura superficial del componente. Mantas (protectores blandos para múltiples de escape) Las mantas tienen una capa aislante de material y una capa externa de tela térmica. La mayoría de las mantas se aseguran sobre el componente usando resortes o alambre de acero inoxidable. Las mantas aíslan el calor y el ruido. Caterpillar no recomienda el uso de mantas en múltiples de escape, turbocompresores u otros componentes del motor. Con frecuencia, el uso de mantas provoca fallas prematuras en los componentes del múltiple de escape. Pueden hacerse excepciones si el aislamiento ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.


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es suministrado y aprobado por Caterpillar para una aplicación particular; en estos casos, Caterpillar usa componentes del escape y del turbocompresor fabricados con materiales que pueden resistir temperaturas más altas. Los motores Caterpillar que usan envolturas y protectores se diseñan para un límite menor de temperaturas de gas de escape.

ésto puede llevar a una falla prematura del motor. Las cajas de la turbina del turbocompresor y las cajas de la turbina no enfriadas por agua no deben envolverse con ningún material. En algunos casos, hay disponibles protectores/envolturas térmicas diseñados por Caterpillar para modelos y clasificaciones específicas del motor.

Envoltura dura (protectores duros para múltiples de escape) La envoltura dura con frecuencia se usa en el motor, por ejemplo, en la "V" entre los bancos de cilindros. La envoltura dura se compone de tres capas: una lámina térmica, una manta de fibra de vidrio y una lámina de metal flexible. Ésta se instala con la lámina térmica contra la superficie caliente, pero sin tocarla. La capa de aire intermedia actúa como aislador. Pueden perforarse orificios para pernos en la lámina metálica lo que facilita quitar o instalar la envoltura.

Los turbocompresores se usan para obtener una salida de potencia del motor más alta, al convertir parte de la energía del flujo de gas de escape en energía del sistema de admisión, en forma de presión de admisión elevada (refuerzo). La presión de admisión elevada permite el ingreso de más aire en los cilindros del motor, lo que a su vez aumenta la combustión de combustible, resultando así en mayor salida de potencia.

Protectores y blindajes Los protectores y blindajes generalmente se fabrican usando láminas metálicas perforadas. Se instalan dejando un espacio de aire entre el blindaje y la superficie caliente. Con un flujo de aire adecuado alrededor del motor, la transferencia de aire desde el metal al aire reducirá considerablemente la temperatura del protector o del blindaje. PRECAUCIÓN: Todos los protectores térmicos, ya sean mantas, envolturas duras o blindajes, deben diseñarse de forma que los componentes críticos del motor, como múltiples y turbocompresores, no alcancen temperaturas máximas, debido a que ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.

Turbocompresores

Figura No. 2

Vea laFigura No. 2. Los gases de escape calientes salen del cilindro e ingresan en el lado de la turbina del turbocompresor. Los álabes de la turbina y los del compresor comparten un eje común. Los gases de escape impulsan los álabes de la turbina, que a su vez

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impulsan los álabes del compresor del lado de admisión de aire. La rotación de velocidad alta comprime el aire de admisión para proporcionar más oxígeno para la combustión. Válvula de derivación de gases de escape Los turbocompresores equipados con una válvula de derivación de gases de escape pueden operar eficientemente en una gama mucho más amplia de altitudes y condiciones ambientales. La válvula de derivación de gases de escape se abre a una presión determinada previamente y descarga parte del flujo de escape lejos del turbocompresor. El menor flujo de escape disminuye la velocidad del turbocompresor para evitar sobrevelocidad y exceso de presión de refuerzo. En algunos motores de gas natural, la válvula de derivación de gases de escape puede ajustarse manualmente a las condiciones del sitio para optimizar la posición del acelerador y proporcionar eficiencia o una mejor respuesta. Nota: Los flujos de escape que derivan los dos turbocompresores de un motor G3600 con cilindros en V a través de la válvula de derivación de gases de escape se fusionan y salen en una salida de escape. Por tanto, si se mide el flujo de escape, se notará un flujo de gas de escape desigual en las dos salidas de escape cuando se abre la válvula de derivación de gases de escape. Generalmente, el flujo del lado derecho será 15% mayor que el del lado izquierdo. PRECAUCIÓN: Conectar la tubería de refuerzo a la válvula de derivación de gases de escape aumentará la irradiación de calor del posenfriador,

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aumentará la velocidad del turbocompresor y aumentará al máximo la presión del cilindro del motor. Ésto afectará negativamente la fiabilidad, duración, estabilidad, emisiones y el rendimiento general del motor.

Conexiones de escape flexibles El sistema de las tuberías de escape debe aislarse del motor con conexiones flexibles, diseñadas para que no haya fugas y flexibles en todas las direcciones. Generalmente se usan dos tipos de conexiones flexibles: tipo manguera metálica flexible y tipo fuelle. Mangueras metálicas flexibles y fuelles La manguera metálica flexible generalmente se usa para sistemas de escape con un diámetro igual o menor a 150 mm (6 pulg). Los fuelles generalmente se usan para sistemas de escape con diámetro igual o mayor a 200 mm (8 pulg). Deben instalarse conexiones flexibles lo más cerca posible de la salida del escape del motor. Una conexión de escape flexible tiene tres funciones principales: •

Aislar el peso de las tuberías de escape del motor. El peso que una salida de escape de cada modelo de motor puede resistir varía.

•

Para aliviar a los componentes de escape de tensiones por fatiga de vibración excesiva.

•

Para permitir el movimiento relativo de los componentes de escape. Ésto tiene varias razones. Puede ser el resultado de la expansión y contracción ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.


debido a los cambios de temperatura, por procesos de corrimiento que suceden durante la vida útil de cualquier estructura o por reacciones de par. En la Figura No. 3 se muestra un diseño de tubería típico con conexiones flexibles.


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Las conexiones de tubería flexibles, cuando están aisladas, se deben expandir y contraer libremente dentro del aislamiento. Ésto generalmente requiere un material blando o manguito aislado para colocar la conexión.

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Tubería de escape típica con conexión flexible

Figura No. 3 Las conexiones flexibles deben estirarse previamente durante la instalación para permitir la expansión térmica esperada. Cuatro correas pequeñas pueden soldarse entre las dos bridas de extremo para sostener las conexiones flexibles o los fuelles del escape del motor en una posición rígida durante la instalación de la tubería de escape. Ésto evitará que los fuelles se instalen torcidos. Ponga una etiqueta de advertencia en los fuelles indicando que las correas soldadas deben quitarse antes del arranque del motor. Cualquier conector flexible debe tener buena resistencia a la fatiga. Debe proporcionar una vida útil aceptable, resistir la tensión vibratoria

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y ser lo suficientemente blando para evitar la transmisión de vibración fuera de la conexión. Las limitaciones de instalación de las conexiones flexibles de escape suministradas por Caterpillar se muestran en la tabla de abajo. Para obtener máxima duración, permita que los fuelles operen lo más cerca posible a su longitud libre. Juntas deslizantes Las juntas deslizantes son otro método para manejar la expansión y la contracción de los sistemas de escape. Las juntas deslizantes están diseñadas para controlar las fugas cuando el sistema está frío. Cuando el motor arranca y las tuberías de escape alcanzan la temperatura de ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.


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operación, las juntas se expanden y proporcionan un ajuste hermético. Las juntas deslizantes son flexibles en sólo un sentido y requieren buen soporte a cada cado.

Sin embargo, Caterpillar generalmente no recomienda el uso de juntas deslizantes debido a sus desventajas, como fuga de humo de escape, babeo del escape y por el hecho de que sólo se flexionan en un sentido.

Límites de instalación de conexiones de escape flexibles - Manguera metálica flexible

Manguera Diámetro

A Corrimiento máximo entre bridas

A Compresión máxima desde la longitud libre

C Extensión máxima desde la longitud libre

mm

pulg

mm

pulg

mm

pulg

4 y 5 pulg

25,4

1,0

6,25

0,25

6,25

2,5

6 pulg

38,1

1,5

6,25

0,25

6,25

2,5

Límites de instalación de conexiones de escape flexibles - Fuelles

Manguera Diámetro

A Corrimiento máximo entre bridas mm

A Compresión máxima desde la longitud libre

pulg

mm

pulg

C Extensión máxima desde la longitud libre mm

pulg

8 y 12 pulg

19,05

0,75

38,1

1,50

25,40

1,00

14 pulg

19,05

0,75

76,2

3,00

25,40

1,00

18 pulg

22,86

0,90

76,2

3,00

44,45

1,75

Índice de resorte para conexiones flexibles Fuelles Diámetro

Índice de resorte kN/m

lb/pulg

8 pulg

29,7

170

12 pulg

33,9

194

14 pulg

68,5

391

18 pulg

19,3

110

Figura No. 4 ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.

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áreas industriales donde el nivel de ruido de fondo es relativamente alto o para áreas remotas donde se permite la reducción parcial del ruido.

Silenciador El ruido del sistema de escape es una de las principales fuentes de ruido de cualquier instalación de motores. La función del silenciador es reducir el ruido del sistema de escape antes de que los gases se descarguen a la atmósfera. El ruido de escape se produce con la liberación intermitente de gas de escape de presión alta de los cilindros del motor, lo que provoca fuertes fluctuaciones de presión de gas en el sistema de escape. No sólo se produce ruido en la descarga en la salida del escape, sino también por la irradiación de ruido en las superficies de la tubería de escape y del silenciador. Un sistema de escape bien ajustado y diseñado reducirá significativamente el ruido de estas fuentes. El silenciador hace una contribución importante a la reducción del ruido de escape. El exceso de ruido es inaceptable en la mayoría de aplicaciones. El grado requerido de reducción de ruido depende de factores como el tipo de aplicación, si es fija o móvil, y de las normas legales relacionadas con la emisión de ruido. Por ejemplo, el ruido excesivo es inaceptable en un hospital o en un área residencial, pero puede ser aceptable en una estación de bombeo aislada. Clasificación de silenciadores Los silenciadores generalmente se clasifican de acuerdo con el grado de reducción de ruido. "Residencial", "Crítico" y "Supercrítico" son los términos usados comúnmente para describir las diferentes clasificaciones. •

Sistema de silenciador de Nivel 1 - "Residencial": Apropiado para

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•

Sistema de silenciador de Nivel 2 - "Crítico": Reduce el ruido de escape a un nivel aceptable en sitios donde se requiere una reducción del ruido moderadamente eficaz, como en áreas semiresidenciales donde siempre hay ruido moderado de fondo.

•

Sistema de silenciador de Nivel 3 - "Supercrítico": Proporciona máxima reducción del ruido para áreas residenciales, hospitales, escuelas, hoteles, tiendas, edificios de apartamentos y otras áreas donde el nivel de ruido de fondo es bajo y el ruido del grupo electrógeno debe mantenerse en el mínimo.

Selección del silenciador El silenciador generalmente es el mayor contribuyente de la contrapresión de escape. Por tanto, cuando se selecciona un silenciador debe considerarse la reducción del ruido requerida y la contrapresión permisible. También debe tenerse en cuenta el tipo de aplicación, el espacio disponible, el costo y la apariencia. Para seleccionar un silenciador, use los datos del proveedor del silenciador, corregidos para temperatura de salida y velocidad, y determinar el tamaño y el tipo de silenciador que esté en conformidad con los criterios de reducción de ruido con una caída de presión máxima aceptable.



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Después de calcular la pérdida de presión, puede ser necesario revisar un segundo silenciador o una tubería de diferente tamaño, antes de obtener una combinación óptima. El diseño del silenciador es un trabajo muy especializado. La responsabilidad de los detalles del diseño y la construcción deben asignarse al fabricante del silenciador.


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Tubería del sistema de escape La función de la tubería del sistema de escape es transportar los gases de escape desde la salida del escape del motor al silenciador y a otros componentes del sistema de escape, terminando en la salida de escape. La tubería es una característica clave en el diseño general del sistema de escape.

Diseño del sistema de escape Las características físicas del compartimiento del motor determinarán el diseño del sistema de escape. La tubería de escape debe diseñarse de modo que minimice la contrapresión de escape y tenga en cuenta la facilidad de servicio del

motor. La tubería de escape debe asegurarse muy bien. Debe tenerse en cuenta el movimiento del sistema y el aislamiento de la vibración y usar componentes flexibles apropiados, como amortiguadores o resortes de caucho. La tubería debe diseñarse teniendo en cuenta el servicio del motor. En muchos casos, en motores más grandes, se usará una grúa aérea para proporcionar servicio a los componentes más pesados del motor. Deben seguirse la siguientes recomendaciones cuando se diseña un sistema de tubería de escape.

Detalles de silenciador típico

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Figura No. 5 •

Todas las tuberías deben instalarse con un espacio libre mínimo de 229 mm (9 pulg) a los materiales combustibles.

•

La tubería de escape debe sostenerse apropiadamente, preferentemente adyacente al motor, de modo que su peso no lo sostenga el motor ni el turbocompresor. De ésto se hablará con mayor detalle más adelante en esta sección.

•

La tubería de escape debe dimensionarse de acuerdo con el límite de contrapresión máxima para el motor.

•

Cuando resulte apropiado, la irradiación de calor puede reducirse si se cubre la tubería de escape fuera del motor con un aislamiento para temperatura alta.

•

Instale protectores de boquilla metálicos para tuberías de escape que atraviesen paredes o techos de madera. Los protectores de boquilla deben tener 305 mm (12 pulg) más de diámetro que las tuberías de escape, vea la Figura No. 5.

•

Cuando use tuberías de escape, extiéndalas hacia arriba y hacia afuera del compartimiento del motor para evitar el calor, el humo y los olores.


•

Ubique las salidas de la tubería de escape lejos del sistema de admisión de aire. Los filtros del motor, los turbocompresores y los posenfriadores contaminados con productos del escape pueden causar fallas prematuras.

•

Evite tender tuberías de escape cerca de bombas de combustible, tuberías de combustible, tanques de combustible y otros materiales combustibles.

•

Las salidas de la tubería de escape deben estar en ángulos de 30° a 45°, y no en ángulos de 90°, para reducir la turbulencia y el ruido del gas de escape. Vea la Figura No. 6.

•

Las salidas de escape deben ubicarse de modo que no sea posible la entrada de agua al sistema de la tubería. Las tapas contra lluvia forzadas a abrirse por la presión de escape evitarán que entre el agua, sin embargo, también añadirán contrapresión adicional al sistema y deberán evaluarse cuidadosamente.

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Diseño de tubería de unión de dos turbocompresores

Figura No. 6 El sistema de escape puede acumular una cantidad considerable de humedad condensada. Por ejemplo, el gas natural que se quema en los motores de gas genera una libra de agua por cada 10 pies3 de gas natural quemado. Por esta razón, los tramos largos de tubería de escape requieren trampas para drenar la humedad. Las trampas instaladas en el punto más bajo de la tubería, cerca de la salida de escape, evitan que el agua de lluvia entre al silenciador. Las tuberías de escape deben inclinarse lejos del motor, hacia la trampa, así la condensación drenará apropiadamente. Vea la Figura No. 3 de la sección anterior. Boquillas para sistema de escape Las boquillas para sistemas de escape, como las mostradas en la Figura No. 5, son elementos usados para tuberías que atraviesan paredes o techos. Las boquillas permiten la separación de la tubería de escape de

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las paredes o techos, para proporcionar aislamiento mecánico o térmico. Las boquillas de manguito simple tienen diámetros de al menos 305 mm (12 pulg) más que la tubería de escape. Las boquillas de manguito doble (manguitos interno y externo) tienen diámetros externos de al menos 152 mm (6 pulg) más que la tubería de escape. Aislamiento de la tubería de escape Las piezas no expuestas de la tubería de escape no deben estar cerca de madera o de otro material combustible. La tubería del sistema de escape dentro del cuarto del motor o del espacio de la maquinaria (y el silenciador, si está montado en el interior) debe cubrirse con materiales de aislamiento apropiados para proteger al personal y reducir la temperatura del cuarto del motor. Una capa apropiada de material de aislamiento alrededor de la tubería y el silenciador y sostenido por una funda ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.


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de aluminio o de acero inoxidable puede reducir substancialmente la irradiación de calor desde el sistema de escape al cuarto del motor. Una ventaja adicional del aislamiento es que atenúa el ruido del cuarto del motor. Prevención de ingreso de agua Las salidas del sistema de escape deben tener un sistema apropiado para evitar la entrada de nieve, agua lluvia o rociado de mar al motor a través de la tubería de escape. Ésto puede lograrse mediante varios métodos, pero debe ponerse especial atención al método usado. El método seleccionado puede imponer restricciones significativas que deben tenerse en cuenta cuando se calcula la contrapresión del sistema. Un método simple, usado principalmente con tuberías de escape horizontales, es el ángulo de corte del extremo de la tubería, como se muestra en la Figura No. 3, Figura No. 5 y Figura No. 7. Un método común usado con las tuberías de escape verticales es poner en ángulo la tubería a 45° o 90° de la vertical, usando un codo apropiado, y luego cortar en ángulo el extremo de la tubería, como se describió previamente. Otra característica que puede usarse junto con cualquiera de los métodos mencionados arriba son las ranuras de lluvia/rociado, que se muestran en la Figura No. 6.


Figura No. 7 Se cortan ranuras en la tubería de escape para permitir que la lluvia/rociado drene de manera segura. Los bordes de cada ranura se deforman como se muestra en el gráfico anterior. El lado de la ranura al motor se dobla hacia adentro y el lado descendente se dobla hacia afuera. Un arco de no más de 60° de la circunferencia de la tubería debe ranurarse en esta forma. Para aplicaciones donde no es posible usar ninguno de los métodos anteriores, puede ser necesario adaptar alguna forma de tapa contra la lluvia al extremo de la sección de la tubería vertical. Este método puede proporcionar un medio seguro para evitar la entrada de agua, siempre que no añada una restricción de contrapresión significativa.

Contrapresión del sistema de escape La restricción excesiva del escape puede afectar negativamente el rendimiento, lo que resulta en menor potencia, y aumento de consumo de combustible, temperatura de escape y emisiones. La restricción excesiva también puede reducir la vida útil de la válvula de escape y del turbocompresor. Es necesario que la contrapresión de escape se mantenga

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dentro de los límites especificados para los motores que están en conformidad con las regulaciones sobre emisiones. Para asegurar el cumplimiento, debe verificarse que la contrapresión del sistema de escape esté en el valor máximo definido por la norma EPA de Caterpillar para la configuración y la clasificación del motor. Los valores pueden encontrarse en los "Datos del Sistema" presentados en el sistema de Información de Mercadotecnia Técnica (TMI) de Caterpillar. La contrapresión incluye restricciones debidas al tamaño de la tubería, el silenciador, la configuración del sistema, la tapa contra lluvia y otros componentes relacionados con el sistema de escape. La contrapresión excesiva comúnmente es causada por uno o más de los siguientes factores: •

Diámetro muy pequeño de la tubería de escape.

•

Número excesivo de curvaturas bruscas en el sistema.

•

Tubería de escape muy larga.


Figura No. 8

•

Resistencia muy alta del silenciador Los motores con configuración de cilindros en V deben diseñarse de modo que la tubería de escape proporcione igual contrapresión a cada banco de cilindros. Medición de la contrapresión La contrapresión de escape se mide a medida que el motor opera en condiciones de carga y velocidad normal plenas. Puede usarse ya sea un manómetro o medidor de presión en pulgadas de agua. Vea la Figura No. 8.

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Muchas instalaciones de motores ya tienen una conexión en la descarga del escape para medir la contrapresión. Si el sistema no tiene dicha conexión, use las pautas de la Figura No. 9 y la Figura No. 10 para ubicar e instalar una toma de presión. •

Ubique la toma de presión en una longitud recta de la tubería de escape, lo más cerca posible al turbocompresor.

•

Ubique la toma a tres diámetros de la tubería desde cualquier


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transición ascendente de la tubería. •

Ubique la toma a dos diámetros de la tubería desde cualquier transición descendente de la tubería. Por ejemplo, en una tubería de 100 mm de diámetro (4 pulg), la toma podría ubicarse no más cerca de 300 mm (12 pulg) corriente abajo de una curva o de un cambio de sección.

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Ubicación e instalación preferida de la toma de presión

Figura No. 9 Si no hay disponible una longitud recta ininterrumpida de al menos cinco diámetros de la tubería, debe tenerse cuidado de ubicar la sonda lo más cerca posible de un eje neutral del flujo de gas de escape. Esto es necesario debido a que las medidas tomadas en la parte exterior de una curva de 90° en la superficie de la tubería serán mayores a una medición similar tomada en el interior de la curva de la tubería.

La toma de presión puede fabricarse usando "medio acoplamiento" de 1/8 NPT soldado a la ubicación deseada de la tubería de escape. Después de conectar el acoplamiento, se perfora un orificio de 3,05 mm (0,12 pulg) de diámetro a través de la pared de la tubería de escape. Deben quitarse las rebabas de la pared de la tubería para que no obstruyan el flujo de gas. El medidor o la manguera del medidor pueden conectarse a la mitad del acoplamiento. La sonda debe insertarse a una profundidad igual a la mitad del diámetro de la tubería o a un mínimo de 76,2 mm (3 pulg), como se muestra en la Figura No. 10. La punta de la sonda debe cortarse paralela al flujo de gas de escape.

Figura No. 10

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Cálculo de la contrapresión La contrapresión se calcula así:

P (kPa) =

P (pulg de H2O) =

L x S x Q2 x 3,6 x 106 D5 L x S x Q2 x 3,6 x 106 187 X D5

Longitud equivalente de tubería recta Para obtener la longitud equivalente de tubería recta con varios codos: + PS

+ PS

Donde: P = Contrapresión (kPa), (pulg de H2O) lb/pulg² = 0,0361 x pulg de columna de agua kPa = 0,00981 x mm de columna de agua L= Longitud equivalente total de la tubería (m), (pies) Q = Flujo de gas de escape (m3/min), (cfm) D = Diámetro interno de la tubería (mm), (pulg) S = Densidad del gas (kg/m3), (lb/pie3) Ps = Caída de presión del silenciador/tapa contra lluvia (kPa),(pulg de H2O) Factores de conversión útiles lb/pulg² = 0,0361 x pulg de columna de agua lb/pulg² = 0,00142 x mm de columna de agua lb/pulg² = 0,491 x pulg de columna de mercurio kPa = 0,0098 x mm de columna de agua kPa = 0,25 x pulg de columna de agua kPa = 3,386 x pulg de columna de mercurio kPa = 0,145 lb/pulg²


L =

33D X

L=

Codo estándar Radio del codo = diámetro de la tubería 20D X

L=

L=

Codo largo radio = 1,5 de diámetro 15D X

66D X

Codo de 45°

Codo cuadrado

Donde X = 1.000 mm ó 12 pulg Como se muestra en las ecuaciones, si se requieren codos de 90°, los codos de radio largo con un radio 1,5 veces el diámetro de la tubería ayudan a reducir la resistencia. Sistemas de escape combinados Aunque resulta atractivo por su precio, no es aceptable un sistema de escape común para varias instalaciones. Los sistemas de escape combinados con calderas u otros motores permiten la entrada de gases de escape a motores que no están en operación. El vapor el agua creado durante la combustión se condensará en los motores fríos y dañará rápidamente el motor. Tampoco se recomiendan válvulas de conductos separando sistemas de escape del motor. Los asientos de válvula deformados a temperaturas altas provocan fugas. Los ventiladores de succión de escape se han aplicado exitosamente en conductos de escape combinados, pero la mayoría opera sólo cuando

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hay gas de escape. Para evitar el giro libre del turbocompresor (sin lubricación), los ventiladores de succión no deben funcionar cuando el motor está apagado. El sistema de escape de motores apagados debe estar cerrado y ventilado. Los motores 3600 con cilindros en "V" tienen dos salidas de escape, una para cada banco de cilindros. Si se combinan éstos con una fabricación tipo Y, mientras sea posible, puede resultar en expansión térmica y contrapresión desiguales de un banco a otro. Este aumento desigual puede poner carga no deseada en el montaje del turbocompresor o en los fuelles flexibles. La contrapresión desigual puede afectar negativamente la operación y el rendimiento del motor. Si las salidas de escape están unidas, estos problemas pueden minimizarse al instalar una conexión flexible en cada tramo y mantener igual longitud en los tramos.

Consideraciones de soporte de la tubería Expansión térmica La expansión térmica de la tubería de escape debe tenerse en cuenta para evitar carga excesiva en las estructuras de soporte. La tubería de escape de acero se expande 1,13 mm/m (0,0076 pulg/pie) por cada 100°C (100°F) de aumento en la temperatura de escape. Esto significa una expansión de 16,5 mm (0,65 pulg) por cada 3,05 m (10 pies) de tubería, desde 35° a 510°C (100° a 950°F). Los sistemas de tubería deben diseñarse para que la expansión térmica se expanda hacia afuera del motor.

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Puede usarse una sujeción para mantener los extremos de un tramo largo de tubería en su sitio, forzando toda la expansión térmica hacia las juntas de expansión. También deben ubicarse soportes para permitir la expansión hacia afuera del motor. Los soportes pueden reducir las tensiones o distorsiones del equipo conectado y permiten quitar los componentes sin necesidad de usar soporte adicional. Las conexiones de tubería flexibles, cuando están aisladas, se deben expandir y contraer libremente dentro del aislamiento. Esto requiere generalmente un material blando o manguito aislado para encajar la conexión. Carga del turbocompresor Debe prestarse especial atención a la carga que la tubería externa puede crear en el turbocompresor. Para minimizar la carga aplicada a la caja del turbocompresor, debe ubicarse un fuelle lo más cerca posible de la salida del turbocompresor y la tubería de escape de flujo descendente debe estar soportada independientemente. También debe tenerse en cuenta en el diseño la expansión térmica de la tubería horizontal conectada al escape del turbocompresor. La carga vertical máxima permitida y los límites de momento de flexión se proporcionan para cada modelo de motor. Consulte el Apéndice de Información Técnica para obtener la información apropiada. Para los motores de la Serie 3600/G3600, los fuelles y adaptadores suministrados por Caterpillar o las opciones de codo y fuelle, representan la carga máxima permitida en el turbocompresor. Todas las demás ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.


tuberías externas deben estar soportadas independientemente. Cálculos de la carga El siguiente ejemplo muestra el tipo de cálculo usado para determinar la carga vertical y el momento de flexión en la salida de escape de un motor debido al peso del adaptador montado directamente en la salida de escape. La Figura No. 11 muestra los puntos de medición para varias distancias cuando se calculan las fuerzas y los momentos en el turbocompresor. Este ejemplo asume un motor 3516 de gas con una salida de escape. Escape vertical W = Peso del adaptador I= 1/2 del peso del fuelle g= gravedad = 9,82 m/s (32,2 pies) Con tornillería Caterpillar: W = 2,9 kg (6,4 lb) I= 0,6 kg (1,4 lb) Fuerzas: FW = W x g = 2,9 x 9,82 = 28 N (6,4 lb) FI= I x g = 0,6 x 9,82 = 6 N (1,4 lb) Suma de las fuerzas verticales FV = FW + FI = 28 + 6 = 34 N (7,8 lb)

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Escape horizontal W = Peso del adaptador J= Peso del adaptador del codo I= ½ del peso del fuelle Con tornillería Caterpillar: W = 2,9 kg (6,4 lb) I= 0,6 kg (1,4 lb) J= 4,8 kg (10,7 lb) h1 = 0 h2 = 100 mm (3,9 pulg) h3 = 580 mm (22,8 pulg) Fuerzas: FW = 28 N (6,4 lb) FI = 6 N (1,4 lb) FJ = F x g = 4,8 X 9,82 = 47 N (10,7 lb) Suma de las fuerzas verticales FV = FW + FI + FJ = 28 + 6 + 47 = 81 N (18,5 lb) Suma de momentos M = (h1 x FW) + (h2 x FI) +(h3 x FJ) = (0 x 28) + (0,100 x 6) + (0,580 x 47) = 27,9 N•m (20,8 pie-lb) Debido a que para este modelo de motor específico, FV < 111 N (25 lb) y M < 120 N•m (89,5 pie-lb), el sistema de escape cumple con los requisitos de carga y momento.

Suma de momentos: M = (h1 x FW) + (h2 x FI) = (0 x 28) + (0 x b) = 0 N•m (pie-lb) Debido a que para este modelo de motor específico, FV < 111 N (25 lb) y M < 120 N•m (89,5 pie-lb), el sistema de escape cumple con los requisitos de carga y momento.


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Escape vertical y horizontal

Figura No. 11

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Transmisión de la vibración La tubería conectada a motores fijos requiere aislamiento, especialmente cuando se usan soportes amortiguados. Sin aislamiento, las tuberías pueden transmitir vibraciones en distancias largas. Los soportes aislantes de tubería deben tener resortes para atenuar las frecuencias bajas, y caucho o corcho para minimizar las transmisiones de frecuencia alta.

Figura No. 12 Para evitar la acumulación de vibraciones de resonancia en la tubería, sostenga los tramos largos de la tubería en distancias desiguales, como se muestra en la Figura No. 12.

Descarga del escape Las salidas de escape, ya sea a través del tubo de escape o conjunto de tubos de escape, deben estar diseñadas para asegurar que el escape del motor se descargará de manera que los gases no recircularán ni serán tomados de nuevo en el entorno del motor. Los filtros de aire del motor, los turbocompresores y los posenfriadores pueden contaminarse con los productos de combustión, como hidrocarburos y hollín. Esta contaminación puede llevar a varias modalidades de falla. La recirculación de gas de escape caliente también puede afectar de ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.

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manera negativa la capacidad del aire ambiente de la instalación. Esto puede ocurrir cuando el aire, a temperatura mayor que la del aire ambiente, fluye a través de los sistemas de enfriamiento equipados con radiador. Las Figuras No. 13 a laNo. 17 muestran la configuración de los sistemas de tubería de escape típicos que evitan la recirculación. Tubo de escape común El gas de escape puede conducirse a través de un tubo especial que también sirve como la salida de aire de descarga del radiador, y este tubo puede estar insonorizado. En estos casos, el aire de descarga del radiador ingresa por debajo de la entrada de gas de escape, de modo que el aumento de aire del radiador tiende a enfriar los componentes del sistema de escape dentro del tubo. Vea los siguientes gráficos. El silenciador puede ubicarse dentro del tubo de escape o en el cuarto del motor con el tubo trasero extendiéndose a través del tubo de escape y luego hacia el exterior. Deben instalarse álabes conductores de aire en el tubo de escape para enviar la descarga del radiador hacia arriba y reducir la restricción de flujo de aire del ventilador del radiador. Como alternativa, el recubrimiento de insonorización puede tener un contorno curvo para enviar el flujo de aire hacia arriba. El tubo de escape permanecerá más frío y limpio si el gas de escape del motor permanece dentro de la tubería de escape en todo su recorrido hasta el tubo de escape. Si la tubería de escape termina antes de la salida del tubo de escape, el aire de ventilación descargado tenderá a enfriar el flujo

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descendente del tubo de escape en el punto donde se mezcla con los gases de escape.

Figura No. 13 La Figura No. 13 es un ejemplo de un silenciador de escape de montaje horizontal con la tubería de escape y el aire del radiador usando un tubo de escape común.

Módulo de potencia o contenedor drop over Para un grupo electrógeno contenido en un módulo de potencia o en un contenedor drop over, las descargas del escape y el radiador deben fluir juntas, ya sea por encima o por debajo del contenedor sin tubo de escape. Esta configuración, como se muestra en la Figuras No. 15 y No. 16, evitará la recirculación de los gases de escape de vuelta al módulo o contenedor. Algunas veces, para este propósito, el radiador puede montarse horizontalmente, con un ventilador impulsado por un motor eléctrico para descargar el aire verticalmente. Observe que la configuración del ventilador de succión en la Figura No. 17 no proporciona aire de enfriamiento adecuado al generador. Para esta configuración se requiere una fuente separada de aire de enfriamiento del generador.

Figura No. 14 La Figura No. 14 es un ejemplo de un silenciador de escape de montaje vertical con la tubería de escape y el aire del radiador usando un tubo de escape común.

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Sistema de escape típico de módulo de potencia o de contenedor drop over con silenciador interno

Figura No. 15

Sistema de escape típico de módulo de potencia o de contenedor drop over con silenciador externo

Figura No. 16 ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.

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Limpieza durante la instalación Durante el armado de un sistema de escape, todos los orificios del turbocompresor deben cubrirse con una plancha protectora identificable para evitar la entrada de escombros en el turbocompresor. La cubierta usada en el envío suministrada por Caterpillar puede utilizarse para este propósito. Ésta puede instalarse directamente en la salida de la caja de la turbina. También debe ponerse una etiqueta de advertencia en la plancha o la cubierta indicando que debe quitarse antes del arranque del motor.

Babeo o apilamiento húmedo El babeo del sistema de escape es el fluido aceitoso negro que puede escaparse por las juntas del sistema de escape. Se compone de combustible y/o aceite mezclado con hollín del interior del sistema de escape. La fuga de aceite puede ser el resultado del desgaste de las guías de válvula, los anillos del pistón o de los sellos del turbocompresor. La fuga de combustible generalmente ocurre por problemas de combustión.

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Los motores están diseñados para operar bajo carga. La operación prolongada del motor sin carga o con carga ligera (menos del 15% de carga) reduce la capacidad de sellado de algunos componentes integrales del motor, incluso cuando el motor es nuevo. Si ocurre babeo, las señales externas serán evidentes, a menos que el sistema de escape esté completamente sellado. El babeo del sistema de escape generalmente no es perjudicial para el motor, pero los resultados pueden ser inaceptables y desagradables para la vista. Si se requieren períodos largos de operación del motor sin carga o con poca carga, el efecto inaceptable del babeo del motor puede evitarse si se carga el motor al menos 30% de la carga nominal durante aproximadamente diez minutos cada cuatro horas. Ésto eliminará cualquier fluido acumulado en el múltiple de escape. Para minimizar el babeo del escape, es importante que el motor se dimensione correctamente para cada aplicación.



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Sistemas de escape para aplicaciones específicas Algunas aplicaciones de motores tienen más retos de instalación que otras. Las instalaciones marinas, por ejemplo, tienen muy poco espacio y requieren mayor protección para evitar la entrada de agua al sistema de escape. La información que se presenta a continuación aborda algunos de estos retos y puede aplicarse en instalaciones marinas y en algunas terrestres.

Sistema de escape seco para aplicaciones marinas El sistema de escape seco para aplicaciones marinas, en general, es similar al sistema de escape terrestre y estará sujeto a las mismas consideraciones de diseño del sistema de escape, como se explicó en esta sección. La Figura No. 17 muestra una instalación de un sistema de escape marino típico que tiene en cuenta las siguientes consideraciones: •

La tubería de escape está soportada directamente encima de la salida de escape del motor, de modo que no hay carga externa del motor o del turbocompresor.

•

La tubería de escape funciona de manera simple y directa, con un mínimo de curvas para minimizar la contrapresión del sistema.

•

La sección intermedia de la tubería se sostiene con un gancho de resorte para permitir el movimiento debido a la expansión térmica y para


minimizar la transmisión de vibración. •

La tubería de escape tiene un sistema de drenaje para recoger y eliminar el agua que puede ingresar a la tubería.

Sistema de ventilación automática del expulsor del sistema de escape marino Un sistema relativamente simple que usa un escape del motor para ventilar el cuarto del motor puede configurarse con la mayoría de sistemas de escape. Puede instalarse un sistema de conductos alrededor de la tubería de escape del motor, de modo que el flujo de escape cree un vacío, usado para hacer fluir el aire caliente hacia afuera de la parte superior del compartimiento del motor. Éste método se ha usado exitosamente en aplicaciones marinas en cuartos de motores pequeños y con requisitos de ventilación mínimos. Un sistema expulsor de escape puede hacer fluir una cantidad de aire de ventilación aproximadamente igual al flujo de gas de escape. Las Figuras No. 18, No. 19 y No. 20 muestran las variaciones de este diseño. Nota: Para diseñar un sistema expulsor de escape exitoso, debe permitirse que el aire ingrese libremente al cuarto del motor.

Pautas de diseño de conductos Para determinar el área del conducto, una regla útil general es: Usar 10 cm2 de área transversal del conducto por kilovatio del motor y no más de tres curvas de ángulo recto.

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Usar 1,25 pulg2 de área transversal del conducto por kilovatio del motor y no más de tres curvas de ángulo recto. Si se requieren más curvas de ángulo recto, aumente el diámetro un tamaño de tubería. Para obtener mejores resultados, los orificios del aire de admisión deben descargar aire frío en el cuarto del motor, cerca del nivel del suelo. Después de que aumenta la temperatura del aire de admisión por el contacto con las superficies calientes del compartimiento del motor, envíe el aire de ventilación afuera desde un punto directamente sobre los motores, cerca de la parte superior del cuarto del motor. Ubique el expulsor en el sistema de escape justo antes de la descarga del escape a la atmósfera para evitar contrapresión en la mezcla de gas de

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escape y de aire caliente a través de cualquier longitud de tubo de escape. Cualquier curva en el tubo de escape más allá de la mezcla puede afectar seriamente el rendimiento del sistema. Además, el tubo de escape permanecerá más frío y limpio si el escape del motor se mantiene dentro de la tubería de escape todo el tramo hasta el tubo de escape. El aire de ventilación de descarga tenderá a enfriar el flujo ascendente del tubo de escape en el punto donde se mezcla con los gases de escape. Los expulsores de escape son más efectivos en embarcaciones con un sólo motor de propulsión. En instalaciones de varios motores, si un motor se opera a carga reducida, el flujo de aire del expulsor del motor con carga reducida puede devolverse, llevando el gas de escape del motor con más carga al cuarto del motor.



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Sistema de escape seco marino típico

Figura No. 17


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Ejemplo de sistema expulsor de escape

Figura No. 18

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Figura No. 19


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Figura No. 20

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Sistema de escape húmedo marino Los sistemas de escape húmedo mezclan los gases de escape con el agua de mar descargada desde el lado de agua de mar del intercambiador de calor de agua de la camisa del motor. En la Figura No. 21 se muestra un ejemplo de un sistema de escape húmedo. La tubería del sistema de escape húmedo puede enfriarse lo suficiente para usar caucho o plástico reforzado de fibra de vidrio aislado (FRP). La humedad de los gases de escape y el agua de mar se descarga desde el bote sobre el nivel de agua de las

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embarcaciones o ligeramente por debajo. Con una diferencia de elevación relativamente pequeña entre el codo de descarga de escape del motor y el nivel de agua de las embarcaciones, es difícil diseñar un sistema que evite del todo la entrada de agua del motor a través del sistema de escape. Aunque hay disponible un número de componentes de escape patentados para ayudar a evitar este problema, los métodos genéricos más comunes son los elevadores del sistema de escape y los silenciadores de levantamiento de agua.

Sistema de escape húmedo que usa codos de escape seco en la descarga de escape del motor

Figura No. 21 1. 2. 3.

4. 5.

Protector térmico del turbocompresor Conexión de tubería flexible Codo (el radio de giro de línea central debe ser mayor o igual que el diámetro de la tubería) Aislamiento (no debe restringir la flexibilidad de la conexión de tubería flexible) Codo (mínimo 15° con anillo de descarga de agua)


6. 7. 8. 9. 10. 11.

Manguera de escape Tubería de escape de conexión Tubería de descarga Tubería de sobrecarga Conexión de descarga de agua sin procesar Soporte de la estructura superior

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Elevadores de escape Una forma de minimizar la entrada de agua al motor por el contraflujo en el sistema de escape húmedo es tener una tubería de escape con una pendiente descendente pronunciada, flujo abajo del motor. Vea la Figura No. 22.

Figura No. 22 Los elevadores de escape son tubos que elevan los gases de escape, lo que permite una pendiente pronunciada en la tubería de flujo descendente. Los elevadores deben aislarse o tener una camisa de agua para proteger al personal del compartimiento del motor de las altas temperaturas del gas de escape del elevador. El agua de mar no se inyecta en los gases de escape hasta que fluyen corriente abajo desde la parte superior del elevador, de modo que la parte con pendiente ascendente del elevador se calienta peligrosamente si no se aísla o no tiene una camisa de agua. El peso de los elevadores fabricados localmente (no proporcionados por Caterpillar) debe ser soportado desde el motor y la transmisión marina. Consulte la Hoja de Datos Técnicos ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.

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para conocer el momento de flexión fija máxima de la conexión de escape. No intente soportar el peso de los elevadores en la parte superior del bote o en la estructura de la cubierta. Los elevadores vibrarán y se moverán con el motor-transmisión. Los elevadores deben sostenerse independientemente del casco de la embarcación para evitar la transmisión de esas vibraciones en la estructura del bote o en el área de pasajeros. Debe usarse una conexión flexible entre el elevador y la tubería de escape montada en el casco para permitir el movimiento de la transmisión del motor durante la operación. Excepto para algunos motores pequeños, los elevadores de escape no están disponibles de Caterpillar. Consulte con los fabricantes de componentes de escape para obtener más información de los elevadores de escape.

Silenciadores de levantamiento de agua Otra forma de minimizar la posibilidad de que entre agua al motor por contraflujo del sistema de escape húmedo es usar un silenciador de levantamiento de agua. En la Figura No. 23 se presenta un ejemplo de silenciador de levantamiento de agua. Los silenciadores de levantamiento de agua son tanques sellados y pequeños, instalados en la cubierta del compartimiento del motor. Los tanques tienen dos conexiones, una conexión de entrada y una de salida. Con frecuencia, también hay una pequeña conexión de drenaje adicional en la parte inferior. La tubería de la conexión de entrada

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ingresa al tanque a través de la parte superior o lateral. La tubería de la conexión de entrada no atraviesa las paredes del tanque. La tubería de la conexión de salida ingresa a las paredes del tanque por la parte superior y se extiende a la parte superior del tanque, donde termina en ángulo. Silenciador de levantamiento de agua típico

Figura No. 23 A medida que la mezcla de agua de mar y gas de escape ingresa en el tanque desde la conexión de entrada, el nivel de agua aumenta en el tanque. A medida que el nivel de agua aumenta, la superficie del agua reduce gradualmente el área de flujo de gas que ingresa en la tubería de descarga. La menor área de flujo de gas aumenta significativamente la velocidad del gas. La velocidad alta de los gases que ingresan en la tubería de salida divide finamente el agua. El agua dividida finamente se transporta a la parte más alta de la tubería de escape como una niebla de gotas de agua. Si no se sigue una buena práctica de diseño, se excederá fácilmente el límite de contrapresión de escape de los motores.

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La parte vertical (pendiente ascendente) de la tubería inmediatamente después de un flujo descendente del silenciador de levantamiento de agua debe diseñarse como una banda transportadora neumática, usando las altas velocidades de gas de escape para levantar las gotas divididas finamente de agua de mar a un punto desde el cual la mezcla de gas/agua pueda drenarse de forma segura a la conexión a través del casco de la embarcación. El diámetro de la tubería entre el silenciador de levantamiento de agua y la parte más alta del sistema debe permitir una velocidad de flujo de 25,4 m/seg (5.000 pies/min) de la mezcla de gotas de agua y gas de escape, con el motor operando a carga y velocidad nominales. Si no se mantiene esta velocidad, las gotas de agua no permanecerán en suspensión. El agua tenderá a salir del depósito del silenciador de levantamiento de agua como una porción sólida de agua. Ésto hará que la contrapresión de escape sea la misma de una columna de agua de la altura de la tubería de descarga del silenciador de la pendiente ascendente. Si la velocidad de la tubería de descarga del silenciador de la pendiente ascendente se mantiene por encima de 25,4 m/seg (5.000 pies/min), la contrapresión del escape será mucho menor.

Acción de las olas y sistemas de escape húmedos Aunque los métodos analizados anteriormente ayudarán a evitar la entrada de agua al motor a través del sistema de escape en circunstancias ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.


normales, la acción de las olas puede acarrear problemas adicionales. Las olas, que golpean contra el orificio del sistema de escape del casco de la embarcación, pueden hacer que el agua ingrese en el sistema de escape Si las olas son severas o si el diseño del sistema de escape lo permite, el agua puede llegar al motor. Puede presentarse una falla prematura del turbocompresor o agarrotamiento del pistón. Hay varias formas de disipar inofensivamente la energía cinética de las olas que ingresan al sistema de escape del motor. El método tradicional de evitar la entrada de agua en un motor sin carga es ubicar el motor lo más lejos posible del nivel de agua, lo que evita que las olas alcancen la altura del codo de escape. Aunque la elevación relativa del motor al nivel del agua es fija y no puede cambiarse, es posible diseñar un sistema de escape que proteja el motor del ingreso de agua. Las características de dicho sistema de escape incluyen: •

Diferencia de elevación suficiente entre el nivel del agua y el punto más alto de la tubería de escape

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para evitar que incluso pequeñas cantidades de agua ingresen al motor. •

Algún método para disipar la energía cinética de las olas a medida que ingresan a la tubería de escape. Cuanto más efectivo sea el método de disipación de energía de las olas, menor será el requerimiento de diferencia de elevación.

•

En ningún caso, la diferencia de elevación entre el nivel del agua y el punto más alto de la tubería de escape debe ser menor que 560 mm (22 pulg).

Cámara de sobrecarga Una cámara de sobrecarga es una división de la tubería de escape, cerca del motor, que tiene un extremo cerrado, como se muestra en el Ítem 3 de la Figura No. 24. Cuando una ola de agua ingresa a la tubería de escape y se mueve hacia el motor, el aire atrapado en la parte delantera de la ola se comprimirá en la cámara de sobrecarga. La amortiguación del aire comprimido en la cámara de sobrecarga obligará a que casi todas las olas retrocedan.

Sistema de escape húmedo típico con un motor montado sobre el nivel del agua

Figura No. 24


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2.

3.

Codo de escape enfriado por agua: el agua del mar enfría el codo, que se descarga en la tubería de escape a través de la ranura periférico en el extremo del codo. Conexión flexible de manguera de escape de caucho: Debe ser resistente al aceite y al calor. Cámara de sobrecarga de contracorriente: Evita que el agua de mar de las olas entrantes

Válvula en la descarga del escape Una válvula ubicada donde la tubería de escape sale del casco de la embarcación puede evitar la entrada del agua de las olas a la tubería de escape cuando el motor está apagado. El mecanismo de la válvula no debe incluir ningún componente que se apoye en un contacto deslizante para mantener la flexibilidad. Se ha probado que esta acción es problemática en una atmósfera de agua salada y gas de escape. Una banda flexible de plásticos químicamente inertes puede proporcionar acción de articulación.

Mangueras comparadas con tuberías de escape rígidas El peso y el calor del agua y los gases de escape pueden hacer que la tubería de escape no rígida se combe o deforme, dejando sitios bajos entre los soportes de la tubería. Si la pendiente de la tubería es muy poco profunda, el agua se acumulará en estos sitios bajos y reducirá el flujo de gas de escape. Esto resultará en contrapresión excesiva de escape, humo, temperaturas altas de escape y, en casos más graves, a fallas prematuras del motor. La manguera y otras tuberías no rígidas deben sostenerse uniformemente en toda su longitud.

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4.

5.

llegue al escape del motor cuando la embarcación está en reposo. Tubería de escape: Debe tener una gradiente ligeramente descendente hacia el extremo de descarga. Plancha de cubierta de extremo: Debe poderse quitar para propósitos de inspección y limpieza.

Ubicación del orificio de descarga del escape Todos los motores diesel eventualmente descargarán algo de humo a través de sus sistemas de escape. Quizá no cuando son nuevos, pero con seguridad sucederá cerca del final de su vida útil antes del reacondicionamiento. Ubique los orificios de descarga del escape lo más lejos posible de la popa y en los lados de la embarcación, si es posible sobre el nivel del agua para minimizar el área del casco y de la cubierta expuesta a decoloración eventual. El mejor sistema de escape para minimizar el humo y el ruido es el que ubica la salida del escape debajo del agua. Estos sistemas también deben tener una salida pequeña sobre la trayectoria del nivel del agua para el escape cuando el bote no se mueve. Debe tenerse cuidado cuando se diseñan sistemas de escape submarinos para mantener la contrapresión dentro de los límites. Válvulas en las tuberías de enfriamiento de agua de escape Nunca use válvulas o desconexiones de ningún tipo en las tuberías que suministran agua de enfriamiento a las conexiones de escape enfriadas por agua.



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El agua de enfriamiento que se inyecta en el flujo del gas de escape no debe interrumpirse, por ninguna razón, mientras el motor está en operación. Sin un suministro fiable de agua de enfriamiento, la temperatura alta de los gases de escape causará deterioro rápido y severo de la tubería de escape plástica o de caucho, con consecuencias potencialmente desastrosas.


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