CALCULO Sistema de Admision de Aire

GUÍA

DE

APLICACIÓN

E

INSTALACIÓN

SISTEMAS DE ADMISIÓN DE AIRE

G3600 • G3500 G3400 • G3300 3600 • C175 • 3500 3412E • 3400 • 3126B C18 • C-16 • C-15 • C15 C13 • C-12 • C11 • C-10 C9 • C-9 • C7

Índice Filtros de aire ................................................................................. 3 Filtros de aire estándar ............................................................. 3 Filtros de aire para servicio pesado .......................................... 4 Antefiltros .................................................................................. 4 Filtros de aire de elemento dual ................................................ 4 Expulsor de escape................................................................... 4 Filtros de aire en baño de aceite ............................................... 5 Filtros de aire de montaje remoto.............................................. 5 Filtros de aire proporcionados por el cliente ............................. 6 Eficiencia del filtro de aire..................................................... 6 Requisitos de diseño del filtro de aire ....................................... 7 Cálculo de ingreso de polvo para el filtro de aire ...................... 7 Requisitos de flujo de aire de combustión ..................................... 9 Conductos de admisión de aire ................................................... 10 General ................................................................................... 10 Ejemplos de tuberías de aire de admisión para aplicaciones marinas ................................................................................... 11 Adaptadores de admisión de aire............................................ 13 Conexiones a los adaptadores de admisión y a los turbocompresores............................................................... 14 Unión de dos turbocompresores ............................................. 16 Carga del turbocompresor ...................................................... 17 Conexiones flexibles ............................................................... 18 Limpieza durante la instalación ............................................... 18 Aislamiento del conducto de aire de admisión ........................ 19

Restricción de admisión de aire .............................................. 19 Ejemplo............................................................................... 20 Consideraciones adicionales ....................................................... 22 Indicadores de servicio ........................................................... 22 Dispositivo de traba o de disparo ....................................... 22 Medidor de presión diferencial ........................................... 22 Silenciadores de aire de admisión .......................................... 22 Cierre de la admisión de aire .................................................. 23 Válvula de drenaje del múltiple de aire ................................... 23 Protección ............................................................................... 23 Uniones separables ................................................................ 23 Condiciones de tiempo frío ..................................................... 24 Congelamiento del filtro de aire .......................................... 24 Control de refuerzo............................................................. 24 Frío extremo ....................................................................... 24 Consideraciones para gas de presión baja ........................ 24 Control de la temperatura del aire ...................................... 25 Intercambiador de calor gas a aire ..................................... 27 Material de referencia .................................................................. 28

Information contained in this publication may be considered confidential. Discretion is recommended when distributing. Materials and specifications are subject to change without notice. CAT, CATERPILLAR, their respective logos and “Caterpillar Yellow”, as well as corporate and product identity used herein, are trademarks of Caterpillar and may not be used without permission. ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.

Prólogo

C-10/C-12

C11/C13

3406E

C-15/C-16

C15/C18

3412E

C27/C32

3500

C175

3600

G3300/G3400

G3500

G3520C

G3600

Filtros de aire de elemento dual Expulsores de escape Filtros de aire de montaje remoto Indicador de servicio, dispositivo de traba de desconexión Indicador de servicio, manómetro de presión diferencial Silenciadores de aire de admisión Cierre de aire de admisión

C9

Antefiltros

C-9

Filtros de aire para servicio estándar Filtros de aire para servicio pesado

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 Admisión de Aire de los motores Caterpillar® indicados al inicio 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 de Introducción de esta guía para obtener otras referencias. Los sistemas y los componentes descritos en esta guía pueden no estar disponibles o no aplicarse a todos los motores. A continuación se presenta una lista de los componentes de los sistema de admisión de aire de los diferentes motores Caterpillar. Consulte la Lista de Precios para obtener datos específicos de opciones y compatibilidad.

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©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.

C7

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C-15/C-16

C15/C18

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C27/C32

3500

C175

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G3300/G3400

G3500

G3520C

G3600

Válvula de drenaje del múltiple de aire Válvula de control de refuerzo para tiempo frío

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z = Estándar = Optativo - = No disponible

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† Estándar en modelos seleccionados, optativo en otros. ‡ Optativo en modelos seleccionados, no disponible en otros.


Guía de Aplicación e Instalación

Sistemas de Admisión de Aire

Sistemas de Admisión de Aire Un sistema de admisión de aire bien diseñado proporciona aire fresco y limpio para la combustión y, al mismo tiempo, minimiza la caída de presión de aire de admisión al turbocompresor. Generalmente, ésto puede lograrse usando filtros de aire instalados en el motor, pero algunas aplicaciones requieren que el aire de admisión fluya a través de conductos desde el exterior del compartimiento del motor. También pueden haber requisitos especiales de filtración y tendido de conductos para humo, polvo, niebla, temperatura ambiente o incluso altitud. Estos requisitos deben considerarse cuidadosamente, debido a que la restricción de admisión de aire que acompaña el aumento de la filtración o la instalación de conductos puede hacer que el motor reduzca su potencia y disminuya la vida útil del turbocompresor. No deben excederse los límites de restricción de admisión de aire indicados en la Información de Mercadotecnia Técnica (TMI), especialmente para motores certificados EQP, con el fin de garantizar la conformidad con las normas. Los sistemas de admisión que usan aire que fluye desde el exterior del compartimiento del motor deben tener un acceso adecuado para el mantenimiento de rutina y las inspecciones. El sistema también debe ubicarse lejos de los tubos de escape (incluyendo el tubo de escape del motor), de ventilaciones o procesos que puedan descargar vapores inflamables, concentraciones grandes de tierra, químicos, residuos industriales o cualquier otro material que no contribuya a la entrada de aire fresco y limpio. En un diseño óptimo, la temperatura nominal del aire alrededor del sistema de admisión debe estar entre 15° y 32°C (60° a 90°F). La temperatura del aire de admisión no debe exceder los 45°C (113°F) para clasificaciones estándar. Para todos los motores Caterpillar, la combustión eficiente del motor se basa en la relación apropiada de flujo másico de combustible y aire. La relación se basa en la masa y no en el volumen. Es importante recordar esta situación cuando se considera el impacto de las instalaciones sin altitud ni temperatura estándar. También, asegúrese de enviar una solicitud de clasificación especial para aplicaciones sin altitud y temperatura estándar, de modo que pueda ser evaluada por el área de ingeniería de rendimiento Caterpillar.


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CONTENIDO DE LA SECCIÓN Filtros de aire .......................... 2 • Polvo, tierra y escombros

•

Conexiones

•

•

Aislamiento

•

Tipos de filtros de aire

•

Filtros de aire proporcionados por el cliente Requisitos del aire de combustión ............................. 8 Conductos de admisión de aire.......................................... 9 • General •

Diseño del sistema

•

Adaptadores de admisión

•

Carga del turbocompresor


Restricción de aire de admisión Consideraciones adicionales...20 • Indicadores de servicio •

Silenciadores

•

Válvula de cierre

•

Operación en tiempo frío

•

Motores de gas de presión baja Material de referencia . . . ...........25



Filtros de aire La tierra y los escombros son la fuente principal de desgaste del motor. Por esta razón, son necesarios los filtros de aire para retener la tierra y los escombros contenidos en el aire entrante. Cualquier pieza móvil del motor puede experimentar desgaste acelerado cuando ingresa tierra en el aire de admisión. Debido a que la admisión de aire es uno de los puntos principales por el que puede ingresar tierra al motor, puede requerirse el reemplazo frecuente de los filtros de aire. La tierra y los escombros ingresan a los conductos del aire de admisión a través de: •

Materiales residuales de la fabricación y armado inicial de los conductos de aire de admisión.

•

Cambios de filtros.

•

Fugas del sistema de conductos.

• Flujo de aire de admisión Las pruebas de desgaste del motor han demostrado que las partículas de polvo de tamaño inferior a 1 micrón (0,00004 pulg.) tienen poco efecto en el motor. El 99,5% de estas partículas de polvo pasará sin efecto hasta el escape del motor. Las partículas de polvo con tamaño de 1 a 10 micrones (0,00004 a 0,0004 pulg) tienen un efecto medible en la vida útil del motor. Las partículas de polvo en el aire de admisión mayores que el espesor de la película de aceite del cojinete afectarán seriamente la vida útil del cojinete y del anillo del pistón.


Tener filtros de aire bien diseñados es la manera más eficiente de garantizar que ingrese aire limpio al motor y que las partículas perjudiciales no lleguen a los sistemas del motor. La eficiencia de los filtros de tipo seco no se ve afectada por la orientación de la instalación. Sin embargo, debe tenerse especial cuidado en la configuración de la caja y las tuberías del filtro para garantizar que la tierra retenida en la caja del filtro no ingresará accidentalmente en el suministro de aire del motor durante el servicio del filtro de aire. Un filtro de aire de montaje vertical, con una tubería de suministro del motor montada en la parte inferior, es especialmente vulnerable para que se presente la anterior situación. Debe usarse un diseño de filtro que incorpore un elemento secundario o de "seguridad", que permanezca en su lugar durante el cambio de filtro principal. Su costo inicial más alto se compensa con una mayor vida útil del filtro.

Filtros de aire estándar Todos los motores Caterpillar están disponibles con filtros de aire, compuestos de elementos de papel seco y de eficiencia alta, contenidos en cajas de restricción baja, resistentes a la intemperie. Estos filtros retienen el 99,5% del polvo fino para filtro de aire (AC) y están diseñados para minimizar la entrada de tierra durante los cambios de filtros. En la mayoría de los modelos de motores, estos filtros de aire están montados en el motor, sin embargo, en algunos motores se suministran por

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separado para montaje remoto. Consulte más adelante en esta sección "Filtros de Aire de Montaje Remoto" Consulte las listas de precios de motores para conocer las opciones de filtros de aire disponibles para cada modelo específico de motor.

Filtros de aire para servicio pesado Los filtros de aire para servicio pesado proporcionan la misma protección que los filtros estándar, pero permiten extender los períodos de cambio de filtros. Dependiendo de la tasa de flujo de aire del motor y del tipo de filtro, los períodos de servicio se pueden extender de seis a siete veces con relación a los de los filtros de aire estándar. Dependiendo del diseño específico, los filtros de aire de elemento dual también pueden clasificarse como filtros de aire para servicio pesado.

Antefiltros Los antefiltros son una opción disponible en algunos motores Caterpillar, que, añadidos al filtro de aire estándar, pueden extender los períodos de servicio del filtro. El antefiltro realiza una acción de remolino al aire, lo que aplica una acción centrífuga a un porcentaje importante de las partículas de tierra, que pueden recolectarse en un depósito o expulsarse de manera continua o intermitente. El antefiltro aplica una restricción de flujo de 0,25 a 1,5 kPa (1 a 6 pulg H2O), pero puede prolongar la vida útil del filtro de tres a siete veces. En cualquier aplicación en que el entorno tenga tierra y escombros pesados se recomienda usar un antefiltro.

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Filtros de aire de elemento dual Los filtros de aire de elemento dual pueden usarse para proporcionar protección adicional al motor. Esta configuración usa dos elementos montados en serie. El filtro secundario permanece en su lugar mientras se proporciona servicio al filtro principal. Una configuración de elemento dual difiere de una de elemento doble en que se usan dos elementos en paralelo. Los filtros de aire de elemento dual también están disponibles con un etapa de filtración previa.

Expulsor de escape Para entornos extremadamente polvorientos donde la tierra y otras partículas hacen que los filtros de aire se obstruyan rápidamente, se ha diseñado un antefiltro mejorado. Éste es parte integral de un sistema de filtro de aire aspirado de escape que prolonga la vida útil de los elementos del filtro de aire. Cuando se usa un diseño de caja con persianas, el antefiltro tiene una eficiencia de separación muy alta. Este diseño separa y elimina más del 90% de la tierra y paja de la corriente de aire de admisión.




Ejemplo de antefiltro, filtro de aire y expulsor de escape

Figura No. 1 El aire ingresa al antefiltro donde la tierra y el tamo se separan del aire. Con un leve vacío, la tierra es aspirada directamente a través del silenciador en el flujo de escape sin causar daños al motor. Vea la Figura No. 1. El polvo restante del aire es retenido por el filtro de aire antes de que ingrese al turbo. Con este sistema, debe tenerse en cuenta la ubicación de la salida del escape y sus áreas aledañas, debido a que podría haber partículas en el escape del motor.

Filtros de aire en baño de aceite Los filtros de aire en baño de aceite, aunque algunas veces se requieren para cumplir con las especificaciones ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.

del cliente, no son recomendados por Caterpillar. Su mejor eficiencia es 95% comparada con la eficiencia de 99,5% de los filtros de tipo seco. Su facilidad de servicio y la impermeabilidad al agua son ventajas que pesan menos que las desventajas, como son: •

Menor eficiencia

•

Los límites de temperatura ambiente baja, el nivel bajo de aceite, la restricción alta de flujo de aire bajo (como en velocidad baja en vacío) y el ángulo de inclinación instalado pueden reducir aún más la eficiencia.

•

El aceite sobrante, que es el aceite que comienza a propagarse en el sistema de admisión de aire ya sea como resultado del sobrellenado o del mayor flujo de aire, puede afectar seriamente la vida útil del turbocompresor y del motor, y de hecho, puede convertirse en combustible del motor.

Filtros de aire de montaje remoto Debido a los requisitos de flujo de aire y a las condiciones de tamaño, resulta poco práctico instalar filtros de aire G3520C y 3600/G3600 en el motor. Éstos son elementos que se venden por separado y el cliente debe realizar un montaje remoto e instalar la tubería. Las cajas de los filtros de aire pueden instalarse en la pared, suelo o techo, con la entrada mirando hacia abajo, o pueden orientarse para una entrada horizontal, pero se requieren modificaciones para sostener los elementos. Están disponibles cajas para filtros de aire de dos elementos (doble) y de tres elementos (triple). A diferencia de

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la configuración de elemento dual, el flujo de aire a través de estos elementos es en paralelo. Las cajas de los filtros de aire de elemento doble y triple tienen antefiltros optativos y filtros de hollín para prolongar la vida útil del elemento en aplicaciones con condiciones severas. En las Figuras No. 2 y No. 3 se muestran algunos ejemplos de cajas de filtros de aire remoto.

Caja de elemento doble

Para aplicaciones marinas y de ultramar, donde los filtros de aire de montaje remoto están expuestos a un entorno de agua marina, hay disponibles cajas con recubrimiento de epoxi. Vea las Figuras No. 4 y No. 5 de la siguiente sección para conocer las configuraciones marinas típicas de los filtros de aire de montaje remoto. Los filtros sucios o inapropiados pueden restringir el flujo de aire de admisión. Deben usarse lecturas de presión diferencial para indicar los requerimientos de cambios de filtro. Precaución: Bajo ninguna circunstancia el motor debe operarse sin filtros de aire. Si el(los) compartimiento(s) de los filtros de aire están expuestos a la intemperie, se recomienda usar una capa protectora para evitar que el agua de lluvia ingrese en los filtros/antefiltros.

Filtros de aire proporcionados por el cliente

Figura No. 2

Caja de elemento doble con tres antefiltros

Eficiencia del filtro de aire La selección del filtro de aire proporcionado por el cliente debe basarse en la siguiente prueba de eficiencia del filtro de aire: Un filtro de aire satisfactorio debe cumplir con la norma ISO 5011 relacionada con la prueba de polvo. El filtro debe tener una eficiencia mínima de 99,5% de acuerdo con lo calculado, siguiendo el código de prueba con adiciones y excepciones, así: •

Figura No. 3

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Flujo de aire corregido en m3/min a presión de 99,9 kPa y 32,2°C (pies3/min a presión de 29,6 pulg Hg y 90°F). ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.


•

Uso de un alimentador de polvo sónico

•

Cantidad de polvo determinada por la clase de servicio ligero.

•

El filtro debe secarse y pesarse en un horno a 3°C a 107°C (200°F a 225°F) antes y después de la prueba.

•

Uso de polvo fino para filtro de aire (AC)

El polvo fino AC se define así: Tamaño de las partículas (micrones) 0–5 6 –10 11 – 20 21 – 40 41 – 80

% Peso total 39 ± 2 18 ± 3 16 ± 3 18 ± 3 9±3

Una filtración de 99,5% de polvo fino AC se ha determinado como una combinación práctica de la clase de contaminante que es más probable que ingrese durante el servicio y resultará en la eficiencia esperada del filtro de aire que proporcionará una vida útil óptima del motor.

Requisitos de diseño del filtro de aire Si se sigue el procedimiento descrito antes, se establecerá suficiente control en la capacidad de filtración del material del filtro de aire probado, pero hay otras variables de diseño que necesitan más control. •


•

Diseñe filtros resistentes a daños en el armado inicial o durante la limpieza. Si el sello final y el material del filtro son susceptibles de daño, puede generarse una fuga en el motor.

Cálculo de ingreso de polvo para el filtro de aire Los motores 3600/G3600 no deben absorber más de 34,5 mg/hora/cilindro de polvo a potencia nominal para lograr una vida útil aceptable del motor. Los filtros de aire Caterpillar están diseñados en conformidad con este requisito. Los filtros de aire proporcionados por el cliente también deben cumplir con este requisito o se reducirá la vida útil del motor. La absorción de polvo específico para varios motores, filtros de aire y de los entornos puede calcularse usando la siguiente fórmula. D=

Vx d x (1 - e) x 60 n

Donde: D = Absorción de polvo específico en mg/hora/cilindro V = Flujo de aire de admisión en pie³/min (cfm). d= Concentración de polvo en mg/pie³ (La concentración de polvo estimada para aplicaciones residenciales y de ultramar es de 0,001 a 0,002 en mg/pie³. El estimado para aplicaciones industriales y de canales y ríos navegables es 0,002 a 0,05 en mg/pie³).

Seleccione filtros suministrados por fabricantes que puedan proporcionar el mejor control de calidad.


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e=


Eficiencia promedio del filtro de aire (siempre < 1,0) (eficiencia estimada de elementos de papel = 0,99, y eficiencia estimada de elementos de material diferente al papel = 0,95) Número de cilindros del motor (6, 8, 12 ó 16)

n=

Ejemplo A Motor 3606 que opera a 900 rpm en una aplicación EPG con elementos de material diferente al papel. V = 5.554 pie³/min D = 0,02 mg/pie³ e= 0,95 n= 6 D=

5.554 x 0,02 x (1 – 0,95) x 60 6

El ejemplo A equivale a una absorción de polvo de 55,54 mg/hora/cilindro. Debido a que el motor no debe absorber más de 34,5 mg/hora/cilindro de polvo para que el motor tenga una vida útil aceptable, este sistema de filtro de aire no puede aceptarse. Ejemplo B Usando el mismo motor, pero con elementos de filtro de aire de papel que proporcionan aproximadamente una eficiencia de 0,99 (e = 0,99). D=

5.554 x 0,02 x (1 – 0,99) x 60 6

El ejemplo B equivale a una absorción de polvo de 11,1 mg/hora/cilindro. Este es un sistema de filtro de aire que proporcionará una vida útil aceptable del motor. Página8




Requisitos de flujo de aire de combustión Los requisitos de flujo de aire de combustión variarán dependiendo del modelo y la clasificación del motor específico. Los datos de flujo de aire específicos para los motores Caterpillar se proporcionan en términos de flujo volumétrico [m3/min (cfm)] y másico [kg/h (lb/h)], en las condiciones de referencia estándar. Las condiciones de referencia de temperatura y presión se usan para proporcionar una base para la medición coherente de las cantidades de aire de combustión. Sin embargo, diferentes partes del mundo se suscriben a normas diferentes, de modo que es importante observar que las condiciones en unidades métricas e inglesas no son equivalentes. La práctica de Caterpillar es usar las condiciones "normales" ISO de 0°C (32°F) y 101,3 kPaa (14,7 lb/pulg² de presión absoluta) cuando se proporcionan valores en unidades métricas y las condiciones "estándar" ASME de 25°C (77°F) y 101,3 kPaa (14.7 lb/pulg²a) cuando se proporcionan valores en unidades del sistema inglés. Para convertir el flujo de aire másico a flujo de aire volumétrico en las condiciones de referencia, use la siguiente fórmula: MR SR

= Q -R

Donde: MR = Flujo de aire másico en condiciones de referencia (kg/h), (lb/h)


QR = Flujo de aire volumétrico en condiciones de referencia (m3/min), (cfm) SR = Densidad del aire en las condiciones de referencia (kg/m3), (lb/pie3). (Densidad del aire = 1,292 kg/Nm3 (0,074 lb/pie3)) Para convertir tanto el flujo de aire másico como el volumétrico de las condiciones de referencia a las condiciones del sitio, use las siguientes fórmulas: TS = MS MR x TR Q -R x

TS TR

= QS

Donde: MR = Flujo másico en condiciones de referencia (kg/h), (lb/h) MS = Flujo másico en condiciones del sitio (kg/h), (lb/h) QR = Flujo de aire en condiciones de referencia (m3/min), (cfm) QS = Flujo de aire en condiciones del sitio (m3/min), (cfm) TR = Temperatura del aire en condiciones de referencia (°K), (°R). TR = Temperatura del aire en condiciones del sitio (°K), (°R). °K. = °C + 273. °R = °F + 460.

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Conductos de admisión de aire General Cuando se requieren conductos para obtener un aire más fresco y limpio, los filtros no deben quitarse del motor para evitar el ingreso de tierra perjudicial al motor a través de las uniones de los conductos. Cuando los filtros de aire deben ser de montaje remoto, es muy importante que todas las uniones sean herméticas para evitar la entrada de tierra. Cuando se diseñan los conductos de admisión de aire, debe prestarse atención para que el tendido, el soporte de los conductos y la restricción del sistema sean los apropiados, especialmente en los motores grandes, donde se usan grúas elevadas para proporcionar servicio a los motores. Es muy importante el soporte apropiado para la red de conductos adyacente al motor, de modo que su peso no sea sostenido por el turbocompresor ni por otros componentes instalados en el motor. Ubique las tuberías de aire lejos del tubo de escape, de modo que el aire suministrado al motor sea lo más fresco posible. La temperatura del aire que va a la admisión de aire no debe ser mayor que 11°C (20°F) de la temperatura de aire ambiente. La temperatura del aire de admisión no debe exceder los 45°C (113°F) para clasificaciones estándar. Evite transiciones abruptas en los conductos de admisión para proporcionar la trayectoria de flujo de aire con el menor número de obstáculos posibles. Cuando las transiciones son inevitables, deben realizarse lo más lejos posible del flujo Página10

ascendente del turbocompresor. Mantenga la pérdida total de carga del conducto (restricción) por debajo de 0,5 kPa (2 pulg H2O) para proporcionar la vida útil máxima del filtro. Cualquier restricción adicional reducirá la vida útil del filtro. Para permitir una desalineación menor debida a tolerancias de fabricación, o al movimiento relativo del motor y el compartimiento y a las vibraciones de aislamiento, los segmentos de las tuberías deben tener conexiones de caucho flexibles. Estas conexiones están diseñadas para uso en sistemas de admisión de aire de motores diesel y están disponibles comercialmente. Las conexiones incluyen los conectores y reductores de mangueras curvados, codos de caucho y una variedad de formas especiales. No deben usarse mangueras flexibles reforzadas con alambre. La mayoría de materiales disponibles son susceptibles a daños debido a la abrasión y el maltrato, y es muy difícil sellar eficazmente los puntos de sujeción, a menos que se proporcionen extremos especiales en la manguera. Los conductos de admisión deben diseñarse para que resistan el vacío mínimo de 12,5 kPa, (50 pulg H2O), que es la capacidad estructural del elemento de los filtros de aire Caterpillar. El diámetro de la tubería debe ser igual o mayor que la admisión/salida del filtro de aire y la admisión de aire del motor. Una guía aproximada para la selección del tamaño de la tubería es mantener la velocidad máxima de ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.


aire en la tubería en 10 m/s (2.000 pies/min). Velocidades más altas provocarán niveles de ruido más altos y restricciones excesivas de flujo. Consulte la sección "Restricción de Aire de Admisión" para saber cómo determinar el tamaño requerido del conducto de admisión. Todas las tuberías deben diseñarse y sostenerse para cumplir cualquier requisito sísmico local vigente. Los conductos deben de una sola pieza o tener tuberías soldadas para minimizar la restricción del flujo. Los conductos deben estar construidos de materiales apropiados para las condiciones ambientales locales, como aplicaciones de ultramar o marinas. Se recomienda poner protectores de extremo de tubería en las uniones de la manguera. Las superficies de sello deben ser redondas, lisas y libres de rebabas o bordes afilados que puedan cortar la manguera. El tubo debe resistir las fuerzas de sujeción de la manguera. Deben usarse ya sea abrazaderas de manguera de perno en T o en F SAE que proporcionan un sello de 360°. Deben usarse abrazaderas de alta calidad. Se recomiendan abrazaderas dobles en conexiones descendentes del filtro de aire. Las tuberías de PVC tienen varias ventajas. Son las más livianas, proporcionan un buen sello sin posibilidad de que se pierda la escoria de soldadura y, además, no se corroen. Sin embargo, no resultan apropiadas para entornos de temperatura alta o baja. Pueden



perder gran parte de su resistencia cuando se usan en temperaturas mayores o iguales a 150 °C (300 °F) Estos tubos también pueden quebrarse y romperse a temperaturas bajas. Si usa una tubería de PVC, use mínimo tubería de Clase 40 (Schedule 4) y revise que cumple con las regulaciones locales para la clasificación del área. Si es necesario material ferroso, éste debe limpiarse apropiadamente después de la fabricación y tratarse apropiadamente para evitar la acumulación de herrumbre e incrustaciones. Los conductos de acero inoxidable deben tratarse de la misma manera. Se prefieren conexiones rebordeadas con empaquetaduras a conexiones roscadas. No debe usarse tornillería, por ejemplo, remaches. El peso no soportado sobre las uniones tipo abrazadera no debe exceder 1,3 kg (3 lb).

Ejemplos de tuberías de aire de admisión para aplicaciones marinas La Figura No. 4 muestra una aplicación marina 3600 configurada para usar un filtro de aire de montaje remoto y aire externo para la combustión. Puede requerirse un calentador de aire de admisión para operación en tiempo frío. La Figura No. 5 muestra una aplicación marina 3600 configurada para usar un filtro de aire de montaje remoto y el aire del compartimiento del motor para la combustión.

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Filtro de aire de montaje remoto con admisión de aire externo

Figura No. 4

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Filtro de aire de montaje remoto con admisión de aire del compartimiento del motor

Figura No. 5

Adaptadores de admisión de aire Caterpillar ofrece varios adaptadores de admisión de aire para conectarlos a las admisiones de aire del turbocompresor. Los adaptadores hacen parte del sistema y tienen la ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.

función de proporcionar una transición eficiente del conducto de aire de admisión del compartimiento del motor al turbocompresor del motor. Los adaptadores generalmente se venden por separado e incluyen empaquetaduras y tornillería de montaje.

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PRECAUCIÓN: El rendimiento del turbocompresor puede verse afectado negativamente si no se usan los componentes de admisión de aire apropiados (diseñados para proporcionar el patrón de flujo de aire apropiado delante del turbocompresor). Conexiones a los adaptadores de admisión y a los turbocompresores La tubería conectada a la entrada del turbocompresor debe estar diseñada para garantizar que el aire fluya en dirección recta y uniforme al compresor del turbocompresor. Ésto se logra generalmente instalando en la entrada una sección de tubería recta, de longitud igual a al menos dos o tres veces el diámetro de la tubería. Esta configuración reduce la posibilidad de fallas prematuras en la rueda del compresor debido a pulsaciones creadas por el aire que

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golpea la rueda del compresor en ángulo. En los conductos de transición inmediatamente anteriores a la sección recta de la tubería deben considerarse lo siguiente: •

El conducto entre la tubería recta y el codo no pueden tener bordes que sobresalgan.

•

El codo puede diseñarse como un arco circular o con secciones de tubería biselada con secciones transversales de flujo rectangular o redondo, o como una transición desde una sección transversal redonda a una rectangular.

•

Se espera que ocurra un flujo acelerado en el codo. El área de flujo (F) debe ser: F1 > 1,5 x F2, como se muestra en la Figura No. 6.




Opciones de diseño de admisión vertical del turbocompresor

Figura No. 6


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Diseño de tubería de admisión que une dos turbocompresores

Figura No. 7

Unión de dos turbocompresores Cuando la red de conductos que alimenta dos turbocompresores se combina para formar un solo conducto, debe proporcionarse una superficie de estabilización después de la unión divisoria, como se muestra en la Figura No. 7. La zona divisoria B debe tener al menos cinco veces el diámetro de la tubería: B > 5 x Dh1

Las transiciones de las Secciones 00 a 1-1 y de 1-1 a 2-2 tendrán muchas variaciones circulares o rectangulares debido a la tornillería del turbocompresor y al diseño del sitio de instalación. Independiente de la transición seleccionada, debe proporcionarse una zona de estabilización.

El área de flujo es: F0 = 1,0 ÷ 2,0 x F1

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Las transiciones usadas para combinar varios conductos también debe seguir las normas de diseño típicas descritas en esta guía. Los conductos deben tener transiciones sin obstrucciones y no causar alteraciones en el flujo de aire. Los diseños de tubería que usan una "T", como se muestra en la Figura No. 8, no deben usarse para conectar varios conductos.

Figura No. 9

Figura No. 8

Carga del turbocompresor Cuando se usan filtros de aire de montaje remoto, la carga del turbocompresor por el peso de los componentes del sistema de admisión de aire se convierte en una preocupación. Los turbocompresores no están diseñados para soportar cualquier peso adicional más allá de los accesorios de fábrica estándar. Cuando sea posible, diseñe una conexión flexible directamente a la entrada de aire del turbocompresor, como se muestra en la Figura No. 9. Todo el trabajo de conductos hasta este punto no debe ser soportado por el motor.


La carga máxima permitida del turbocompresor variará, dependiendo del modelo del motor, el adaptador de admisión y de la orientación del adaptador. En el ejemplo de abajo, Figura No. 10, el adaptador de admisión de 90° puede girarse en incrementos de 30°. Los turbocompresores para motores 3600/G3600 están diseñados para soportar un momento máximo de 294 N•m (217 pie-lb) La Figura No. 10 muestra cómo puede calcularse el momento. Los modelos que proporcionan un soporte de montaje para el adaptador de admisión del turbocompresor, como el motor C15, pueden soportar hasta 11,3 kg (25 lb) de peso de conducto.

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Cargas máximas para la conexión de entrada del turbocompresor

Figura No. 10

Conexiones flexibles Se requieren conexiones flexibles para aislar la vibración y el ruido del motor del sistema de conductos. Las conexiones deben configurarse con la compresión y corrimiento máximo permitidos para evitar una falla prematura y fuerzas en exceso en el turbocompresor y en los componentes de admisión de aire. La conexión flexible debe estar tan cerca al motor como sea práctico e instalada de forma que no produzca tensión en el sistema de conductos. La conexión flexible con el conducto de admisión de aire debe ser mínimo de 50 mm (2 pulg) y máximo de 200 mm (8 pulg). Página18

Debe tenerse cuidado para que el calor del tubo de escape no deteriore las conexiones flexibles de caucho.

Limpieza durante la instalación Deben limpiarse todos los escombros del conducto de admisión de aire. No deben usarse conductos fabricados que utilicen tornillería, por ejemplo remaches. El conducto debe estar fabricado de un tipo de material que sometido a operación prolongada no desprenda escombros que puedan ingresar al turbocompresor. Debe instalarse una plancha de protección delante del turbocompresor ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.


para evitar la entrada de escombros durante la instalación inicial de la unidad. Esta plancha debe tener una etiqueta de advertencia que indique que debe quitarse antes de arrancar el motor. La cubierta de envío suministrada por Caterpillar puede utilizarse para este propósito. Deben tomarse medidas que garanticen la inspección de la limpieza del conducto antes del arranque inicial. Si la tubería no está limpia, debe limpiarse antes del arranque del motor en la puesta en servicio. Podría requerirse quitar la tubería de su posición original de instalación.

Aislamiento del conducto de aire de admisión Puede requerirse aislamiento del conducto de admisión para los filtros de aire de montaje remoto. El aislamiento reduce el ruido del turbocompresor dentro del compartimiento del motor y minimiza el precalentamiento del aire de admisión.

Restricción de admisión de aire El vacío excesivo del lado de entrada del turbocompresor (o de admisión de aire de los motores de aspiración natural) puede resultar en menor potencia y rendimiento del motor. La restricción de aire de admisión también es un parámetro crítico de las emisiones declarado para obtener la certificación de obras EPA. Por tanto, la restricción total del sistema de admisión de aire (incluyendo filtros sucios, conductos, respiraderos, silenciadores, etc.) está limitada dependiendo del modelo del motor, la clasificación y la configuración del ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.


sistema de aire. Los límites de restricción de admisión de aire para los motores Caterpillar pueden encontrarse en el Apéndice de Información Técnica o en Información de Mercadotecnia Técnica (TMI). Para maximizar la vida útil del filtro de aire es importante mantener la restricción total del conducto por debajo de 0,5 kPa (2 pulg H2O). Cada restricción adicional causada por el sistema de admisión de aire disminuye la vida útil del filtro de aire. La vida útil máxima del filtro depende parcialmente del diferencial de presión absoluta entre la entrada al compresor del turbocompresor y la atmósfera. La restricción de aire de admisión incluye pérdidas de presión entre el filtro de aire y la conexión de admisión de aire del motor. Para filtros de aire de montaje remoto pueden usarse las siguientes fórmulas para calcular la restricción del conducto. P (kPa) =

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

P(pulg H20) =

L x S x Q2 187 x D5

Donde: P = Restricción (kPa), (pulg H2O) lb/pulg² = 0,0361 x pulg de columna de agua kPa = 6,3246 x mm de columna de agua L= Longitud equivalente total de la tubería (m), (pies)

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Q=

D=


Flujo de aire de admisión, medido en (m3/min), (cfm). (se encuentra en TMI o en el manual de rendimiento, y corregido para las condiciones del sitio cuando es necesario) Diámetro interno de la tubería, medido en (mm), (pulgadas)

Si el conducto es rectangular, como se muestra en la Figura No. 11: Entonces: D=

2xaxb a+b

Figura No. 11 S = Densidad de aire kg/m3 (lb/pies3) S(kg/m3) = S(lb/pies3) =

352,5 Temperatura de aire + 273°C 39,6 Temperatura de aire + 460°F

Use las siguientes fórmulas para obtener las longitudes equivalentes de la tubería recta para varios codos. Codo estándar (radio = diámetro)

L=

33D X

Codo de radio largo (radio = 1,5 de diámetro)

L=

20D X

Codo de 45° (radio = 1,5 de diámetro)

L=

Codo cuadrado (radio = 1,5 de diámetro)

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15D X

66D L= X

Donde: x = 1.000 mm (12 pulg) Como se muestra arriba, si se requieren codos de 90°, los codos de radio largo, con un radio de 1,5 veces el diámetro de la tubería, ofrecen menos resistencia que los codos estándar. Ejemplo El siguiente es un ejemplo del cálculo de la restricción de conductos de admisión de aire. Un paquete de grupo electrógeno 3412 tiene un flujo de aire de admisión de 36,7 m3/min (1.292 pie³/m) con una configuración de conductos que consta de 3 m (10 pies) de conductos de longitud recta junto con dos codos estándar y un codo de radio largo. La tubería tiene un diámetro de 152,4 mm (6 pulg) y la temperatura del aire es 55°C (131°F) Primero calcule la longitud equivalente de los conductos. L=

3 + 2 x (33 x 152,4) 1.000 mm

+

20 x 152,4 1.000 mm

L = 16,1 m

L=

10 + 2 x (33 x 6) 12 pulg

+

20 x 6 12 pulg

L = 53 pies Luego, calcule la densidad del aire. S=

352,5 55 + 273°C

S = 1,075 kg/m3 S=

39,6 131 + 460°F

S = 0,067 lb/pies3 ©2005 Caterpillar® Todos los derechos reservados.



Finalmente, ponga los resultados previos en la fórmula de restricción de conductos y realice el cálculo. P=

16,1 x 1,075 x 36,72 x 3598805,2 1525

P = 1,02 kPa ó 104 mm H2O P=

53 x 0,067 x 12.922 5.184 x 65

P = 0,147 lb/pulg² ó 4,07 pulg H2O La restricción total del conducto debe ser menor a 0,5 kPa (2 pulg H2O). La restricción del conducto en este ejemplo es mayor al valor deseado, por tanto, esta configuración de conducto no es aceptable.


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Consideraciones adicionales Indicadores de servicio Los dispositivos de detección de vacío diseñados para indicar la necesidad de servicio del filtro de aire están disponibles comercialmente, y cuando se añaden al sistema de admisión de aire, cumplen una función vital. Hay dos tipos de dispositivos de detección, ambos recomendados para su uso. Los indicadores de servicio se instalan directamente en los conductos de aire de admisión y detectan el diferencial de presión entre el aire del conducto de admisión y el aire fuera del conducto. Debe tenerse en cuenta que en instalaciones que usan aire externo de combustión, la presión del compartimiento del motor y la exterior, o atmosférica, no siempre es la misma. El indicador debe instalarse de modo que detecte el aire del conducto de admisión en un lado y el aire desde donde es tomado en el otro. Dispositivo de traba o de disparo El dispositivo de traba de desconexión indica si la condición del filtro de aire es satisfactoria o necesita servicio. Cuando necesita servicio, generalmente tendrá una señal roja. Este tipo de mecanismo usa un diafragma cargado por resorte para medir el diferencial de presión entre el lado limpio y el lado sucio del filtro de aire. Se prefiere el de tipo disparo o de traba y está disponible en la mayoría de listas de precios de motores. Medidor de presión diferencial El medidor de presión diferencial de lectura directa indica el diferencial de presión del filtro de aire de admisión.

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Un extremo del medidor se conecta al conducto de admisión de aire y el otro a la longitud recta de la tubería ubicada inmediatamente corriente arriba del turbocompresor.

Silenciadores de aire de admisión Un filtro/silenciador de admisión de aire Caterpillar está disponible para motores diesel 3600. No puede usarse con motores de gas G3600 debido a la orientación del turbocompresor.

Figura No. 12 El filtro/silenciador proporciona una buena filtración de aire, pero sólo debe usarse en un entorno de compartimiento de motor limpio (aire filtrado). El cliente es responsable de garantizar que el aire del compartimiento del motor se filtre apropiadamente. A menos que estén diseñados específicamente para dicho propósito, los silenciadores de aire de admisión deben tener un montaje remoto desde la admisión del turbocompresor, como se muestra en la Figura No. 12.




Cierre de la admisión de aire

Protección

El cierre de la admisión de aire es una característica específica del sistema de admisión de los motores diesel. Esta característica proporciona un medio seguro de detener el proceso de combustión en caso de un apagado de emergencia, al para el flujo de aire de combustión. No se recomienda para motores de gas debido a que éstos tienen la capacidad de detener el proceso de combustión al controlar la fuente de encendido. La característica de cierre de admisión de aire es estándar en los motores diesel 3600 y está disponible en muchos otros motores diesel Caterpillar. Se usa normalmente cuando un motor opera en un entorno potencialmente combustible. Esta característica puede activarse manualmente o electrónicamente, pero es sólo para uso de emergencia en caso de sobrevelocidad del motor, no para el apagado normal del motor.

La admisión de aire debe protegerse contra la entrada directa de lluvia o nieve. La práctica más común es disponer de una tapa o caperuza de entrada que incorpore una rejilla de longitud completa para evitar la entrada de objetos grandes. Esta tapa debe diseñarse para mantener una mínima restricción del flujo de aire. Algunos usuarios han diseñado una admisión de aire frontal que proporciona una entrada de aire directa y un medio interno para lograr la separación de agua. También hay disponibles antefiltros y rejillas de antefiltro incorporadas en el diseño de la tapa de admisión. Pueden usarse en condiciones especiales o para prolongar la vida útil del filtro de aire. Estos dispositivos pueden retener 70% a 80% del polvo propagado en el aire.

Válvula de drenaje del múltiple de aire Una válvula de drenaje del múltiple de aire está disponible para la familia de motores diesel 3600 y consta de una válvula de flotación automática que drena el aire condensado del múltiple de aire del motor. Esta característica se recomienda para aplicaciones con humedad alta y posible caída de temperatura del múltiple de admisión de aire por debajo del punto de condensación atmosférica. Consulte la Publicación de Servicio Caterpillar SSBD9317, Noticias del Motor 2003/01/01 para obtener más información acerca de este tema.


Uniones separables En una cabina o capó puede usarse una unión separable que se puede mover lejos del compartimiento del motor y facilita el acceso para el servicio. La mitad de la brida del sello de caucho permanece en la admisión de aire del motor y la otra mitad se asegura al compartimiento o al capó. Las uniones separables pueden usarse si se diseñan cuidadosamente y se usan sólo en el flujo ascendente del filtro de aire. Nota: Nunca use uniones separables entre el filtro de aire y el motor. Cuando requiera usar uniones separables, elija una unión diseñada para sellado permanente en las condiciones más severas y que requiera poco o ningún mantenimiento

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Condiciones de tiempo frío Congelamiento del filtro de aire La formación de hielo en el filtro de aire puede ocurrir en entornos de aire saturados donde el punto de condensación del aire ambiente está cerca del punto de congelación. Pequeñas alteraciones del aire, como los cambios de presión y velocidad en la admisión del filtro de aire reducen la capacidad de manejar la humedad del aire. Esto resulta en la condensación de la humedad y en la formación de cristales de hielo. La acumulación de hielo reduce el área de flujo de aire y aumenta el diferencial de presión en el filtro de aire. Finalmente, se alcanza una etapa de estabilización donde el diferencial de presión permanece constante aunque la acumulación de hielo continúe. Durante estos períodos habrá pérdida de potencia y un mayor consumo de combustible. Pueden usarse varias técnicas para controlar el congelamiento del filtro de aire. Una solución es calentar ligeramente el aire de admisión. No es necesario calentar el aire por encima de la temperatura del punto de congelación. El aire requiere sólo suficiente calor para estar por encima del punto de condensación. El calor puede suministrarse a la caja del filtro de aire llevando aire del compartimiento del motor. También puede usarse el aire caliente del tubo de escape o del silenciador o una cinta de calentamiento eléctrico. Control de refuerzo Una válvula de control de refuerzo está disponible para la familia de motores diesel 3600 para su uso en condiciones de ambiente muy frío, 0°C (32°F). La válvula se usa para limitar la presión del múltiple de admisión de

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aire durante las condiciones de temperatura de aire baja para mantener la presión aceptable del cilindro. Frío extremo En aplicaciones con temperaturas muy bajas, -25°C (-13°F), puede requerirse el calentamiento del aire del compartimiento del motor. Se asume que el aire de combustión fluye desde fuera del compartimiento del motor y que el motor está acondicionado con precalentadores para temperaturas de metal, agua y aceite a 0°C (32°F). La admisión de aire al compartimiento del motor debe realizarse sin que exista riesgo de entrada de tierra o escombros en el sistema de admisión de aire del motor. Consideraciones para gas de presión baja Debe tenerse especial cuidado cuando se diseña el sistema de admisión de aire para motores de gas de presión baja que no tiene control de la relación aire-combustible. Los carburadores usados en los motores de gas Caterpillar miden el combustible del aire entrante en una base de volumen por volumen. Si la densidad del aire o el gas cambia con relación a la otra, la relación airecombustible del motor cambiará, lo que afectará los niveles de emisiones y el margen de detonación. Por ejemplo, si un motor G3516 de bajas emisiones con una relación de compresión de 11:1 y A/C de 32°C (90°F) se ajusta para producir 2 g NOx a carga plena, el porcentaje de O2 en el escape debe ajustarse a 8%, lo que resulta en una relación airecombustible de 14,75 en una base de volumen por volumen.



Si el motor está ajustado cuando el aire de entrada tiene 10°C (50°F) y el gas de salida tiene 21°C (70°F), entonces: ∆T1 = 10°C - 21°C = -11°C (∆T1 = 50°F - 70°F = -20°F) Si la temperatura del aire se aumenta luego a 32°C (90°F) y la temperatura del gas permanece constante, entonces: ∆T2 = 32°C - 21°C = 11°C (∆T2 = 90°F - 70°F = 20°F) La Variación de la Temperatura del Aire (VAT) sería: V+∆T = |-11°C - 11°C)| = 22°C (V∆T = |-20°F - 20°F| = 40°F) La densidad del aire disminuiría, lo que resulta en una menor relación aire-combustible de 13,67. La menor relación aire-combustible resultaría en una reducción del porcentaje de O2 en el escape de 6,5%. El gráfico de la Figura No. 13 muestra cómo el NOx cambia en función del porcentaje de O2 en el escape. La mayor temperatura de aire de nuestro ejemplo aumentaría las emisiones de NOx a 8,8 g NOx /bhp-h, que significa un aumento de 440%. Para mantener un nivel de 2,0 g NOx /bhp-h, la VAT no debe exceder 5,5°C (10°F).


Figura No. 13

Los motores de gas de presión alta no se ven afectados por estos cambios en el grado de los motores de gas de presión baja. Ésto se debe a que la temperatura de gas de suministro permanece relativamente constante en la mayoría de instalaciones y el posenfriador de control termostático mantiene una temperatura de aire razonablemente constante en el carburador. Debido a que estas dos temperaturas no están sujetas a cambios grandes, la relación aire-combustible permanece relativamente constante. Hay dos métodos principales para controlar la VAT, controlar la temperatura del aire y usar un intercambiador de calor gas a aire. Control de la temperatura del aire Un método para controlar la temperatura de suministro de aire es regular la temperatura del compartimiento del motor. Sin embargo, este método no se


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recomienda. Es difícil regular la temperatura de un compartimiento del motor para que sea cómoda para trabajar y suficiente para proporcionar una temperatura de aire constante al motor. Por ejemplo, una instalación que pronostica una temperatura ambiente de 32°C (90°F), requerirá regular siempre la temperatura del compartimiento del motor a cerca de 38°C (100°F). También, los compartimientos del motor tienen puertas de servicio grandes que algunas veces deben permanecer

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abiertas mientras los motores están en funcionamiento, y no se mantendrá la relación aire-combustible mientras estén abiertas. El método preferido es usar una red de conductos para suplir al motor con aire con temperatura regulada. Vea la Figura No. 14. Este sistema usa el agua de las camisas para calentar el aire hasta la temperatura configurada en el termostato.




Conductos con regulador de temperatura

Figura No. 14 Si se usa un sistema de admisión para suministrar aire de temperatura controlada a varios motores, deben hacerse ciertos ajustes para garantizar que el agua calentada se envía al intercambiador de calor cuando los motores están en funcionamiento. Si se usa el agua de las camisas del motor, el motor del que se toma el agua debe estar en funcionamiento cuando cualquiera de los demás motores esté operando.

de calor antes de que ingrese al regulador de gas. La caída de presión en el intercambiador de calor a carga completa debe añadirse a la presión de suministro de gas mínima requerida por el motor. Diseñe el intercambiador de calor para minimizar la caída de presión de flujo de gas y aire mientras continúa proporcionando suficiente transferencia de calor, de modo que la VAT permanezca en los límites dados.

Intercambiador de calor gas a aire Si el uso de una red de conductos no resulta práctico para una instalación específica, otra opción es instalar un intercambiador de calor gas a aire, como se muestra en la Figura No. 15. Si se instala correctamente, este sistema evitará que los cambios de temperatura del gas o el aire afecten la relación aire-combustible. Diseñe el sistema de modo que el gas fluya a través del intercambiador

Figura No. 15


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Material de referencia La siguiente información se proporciona como referencia adicional a los temas presentados en esta guía. SSBD9317 Noticias del Motor 2003/01/01.

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LSBW4969-00

©2005 Caterpillar

Impreso en los EE.UU. Todos los derechos reservados.

CALCULO Sistema de Admision de Aire

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