Inyector

Un inyector es un sistema de conductos y boquillas que se utiliza para dirigir el flujo de un fluido a alta presión de tal manera que un fluido a menor presión se incorpora al chorro y se transporta a través de un conducto hasta una zona de mayor presión. Se trata de una bomba fluidodinámica sin partes móviles, salvo una válvula que controla el flujo de entrada.

Según la aplicación, un inyector también puede adoptar la forma de una bomba de chorro eyector , un eyector de agua o un aspirador . Un eyector funciona con principios similares para crear una conexión de alimentación por vacío para sistemas de frenado, etc.

El fluido motriz puede ser un líquido, vapor o cualquier otro gas. El fluido de succión arrastrado puede ser un gas, un líquido, una suspensión o una corriente de gas con partículas de polvo. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

El inyector de vapor es un dispositivo común que se utiliza para suministrar agua a las calderas de vapor, especialmente en las locomotoras de vapor. Es una aplicación típica del principio de inyección que se utiliza para suministrar agua fría a una caldera contra su propia presión, utilizando su propio vapor vivo o de escape, reemplazando cualquier bomba mecánica . Cuando se desarrolló por primera vez, su funcionamiento era intrigante porque parecía paradójico, casi como un movimiento perpetuo , pero posteriormente se explicó mediante la termodinámica . ^{[ 4 ]} Otros tipos de inyectores pueden utilizar otros fluidos motrices presurizados, como el aire.

El inyector consta de un cuerpo lleno de un fluido secundario, en el que se inyecta un fluido motriz. El fluido motriz induce el movimiento del fluido secundario. Existen numerosas variantes de inyectores, que pueden tener varias etapas, cada una de las cuales repite el mismo principio de funcionamiento básico para aumentar su eficacia general.

Utiliza el efecto Venturi de una boquilla convergente-divergente sobre un chorro de vapor para convertir la energía de presión del vapor en energía cinética , reduciendo su presión por debajo de la atmosférica, lo que le permite arrastrar un fluido (por ejemplo, agua). Tras pasar por el cono convergente de combinación, el fluido mezclado se condensa completamente. La mezcla condensada entra entonces en un cono divergente de descarga que ralentiza el chorro, convirtiendo la energía cinética de nuevo en energía de presión estática por encima de la presión de la caldera, lo que permite su alimentación a través de una válvula antirretorno. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

La mayor parte de la energía térmica del vapor condensado se devuelve a la caldera, lo que aumenta la eficiencia térmica del proceso. Por lo tanto, los inyectores suelen tener una eficiencia energética superior al 98 % ; además, son sencillos en comparación con las numerosas piezas móviles de una bomba de alimentación.

eyectores de vacío

Otro uso de la tecnología de inyectores se encuentra en los eyectores de vacío de los sistemas de frenado continuo de trenes , que se hicieron obligatorios en el Reino Unido mediante la Ley de Regulación de Ferrocarriles de 1889. Un eyector de vacío utiliza la presión del vapor para extraer el aire de la tubería de vacío y los depósitos del sistema de frenado continuo. Las locomotoras de vapor, con una fuente de vapor disponible, encontraron en la tecnología de eyectores la solución ideal por su robustez, simplicidad y la ausencia de piezas móviles. Una locomotora de vapor suele tener dos eyectores: uno grande para liberar los frenos cuando está parada y uno pequeño para mantener el vacío y evitar fugas. El escape de los eyectores se dirige invariablemente a la caja de humos, lo que ayuda al ventilador a avivar el fuego. El eyector pequeño a veces se reemplaza por una bomba de pistón accionada desde la cruceta , ya que esto resulta más económico en términos de vapor y solo se requiere su funcionamiento cuando el tren está en movimiento.

En los trenes modernos, los frenos de vacío han sido sustituidos por frenos de aire, que permiten el uso de cilindros de freno más pequeños y/o una mayor fuerza de frenado debido a la mayor diferencia con la presión atmosférica.

Aplicación anterior del principio

Una aplicación empírica del principio se utilizó ampliamente en locomotoras de vapor antes de su desarrollo formal como inyector, en la forma de la disposición del tubo de escape y la chimenea en la caja de humos de la locomotora. El esquema de la derecha muestra una sección transversal de una caja de humos, girada 90 grados; se puede observar que están presentes los mismos componentes, aunque con nombres diferentes, que en el diagrama genérico de un inyector en la parte superior del artículo. El vapor de escape de los cilindros se dirige a través de una boquilla en el extremo del tubo de escape, para reducir la presión dentro de la caja de humos arrastrando los gases de combustión de la caldera, que luego se expulsan a través de la chimenea. El efecto es aumentar el tiro sobre el fuego en un grado proporcional a la tasa de consumo de vapor, de modo que a medida que se usa más vapor, se genera más calor del fuego y también aumenta la producción de vapor. El efecto fue observado por primera vez por Richard Trevithick y posteriormente desarrollado empíricamente por los primeros ingenieros de locomotoras; La Rocket de Stephenson la utilizaba, y esto constituye gran parte de la razón de su rendimiento notablemente superior en comparación con las máquinas contemporáneas.

El uso de inyectores (o eyectores) en diversas aplicaciones industriales se ha vuelto bastante común debido a su relativa simplicidad y adaptabilidad. Por ejemplo:

• Para inyectar productos químicos en los tambores de calderas pequeñas, estacionarias y de baja presión. En las calderas modernas de gran tamaño y alta presión, el uso de inyectores para la dosificación de productos químicos no es posible debido a sus limitadas presiones de salida.
• En las centrales térmicas , se utilizan para la eliminación de las cenizas de fondo de la caldera , la eliminación de las cenizas volantes de las tolvas de los precipitadores electrostáticos utilizados para eliminar dichas cenizas de los gases de combustión de la caldera , y para generar presión de vacío en los condensadores de escape de las turbinas de vapor .
• Las bombas de chorro se han utilizado en reactores nucleares de agua en ebullición para hacer circular el fluido refrigerante. ^{[ 13 ]}
• Para su uso en la generación de presión de vacío en sistemas de refrigeración por chorro de vapor .
• Para trabajos de ampliación y recuperación en sistemas de aire acondicionado y refrigeración.
• Para procesos mejorados de recuperación de petróleo en la industria del petróleo y el gas.
• Para la manipulación a granel de granos u otros materiales granulares o en polvo.
• La industria de la construcción las utiliza para bombear agua turbia y lodos .
• Los eyectores se utilizan en los buques para bombear el agua de lastre residual o el aceite de la carga que no se puede eliminar con bombas centrífugas debido a la pérdida de altura de succión y que puede dañar la bomba centrífuga si funciona en seco, lo que puede deberse al asiento o la escora del buque.
• Los eyectores se utilizan a bordo de los buques para bombear el agua de sentina, ya que el uso de bombas centrífugas no sería factible debido a la frecuente pérdida de la altura de succión.
• Algunos aviones (sobre todo los de diseños más antiguos) utilizan un eyector acoplado al fuselaje para proporcionar vacío a los instrumentos giroscópicos, como el indicador de actitud (horizonte artificial).
• Los eyectores se utilizan en los sistemas de combustible de las aeronaves como bombas de transferencia; el flujo de fluido procedente de una bomba mecánica montada en el motor puede dirigirse a un eyector montado en el depósito de combustible para transferir el combustible desde dicho depósito.
• Los aspiradores son bombas de vacío basadas en el mismo principio de funcionamiento y se utilizan en laboratorios para crear un vacío parcial y en medicina para la succión de mucosidad o fluidos corporales.
• Los eyectores de agua son bombas de agua que se utilizan para dragar el limo y buscar oro, ya que pueden soportar mezclas altamente abrasivas.
• Para crear un sistema de vacío en la unidad de destilación al vacío (refinería de petróleo).
• Los autoclaves de vacío utilizan un eyector para generar vacío, generalmente alimentado por el suministro de agua fría a la máquina.
• Las bombas de chorro ligeras pueden fabricarse con papel maché .

Las bombas de chorro se utilizan comúnmente para extraer agua de pozos . La bomba principal, a menudo centrífuga , se alimenta e instala a nivel del suelo. Su descarga se divide: la mayor parte del caudal sale del sistema, mientras que una porción regresa a la bomba de chorro instalada bajo tierra en el pozo. Este fluido recirculado se utiliza para impulsar el chorro. En la bomba de chorro, el flujo de retorno, de alta energía y baja masa, impulsa más fluido fuera del pozo, convirtiéndose en un flujo de baja energía y alta masa que luego se canaliza a la entrada de la bomba principal.

Las bombas para pozos poco profundos son aquellas en las que el conjunto de chorro está conectado directamente a la bomba principal y están limitadas a una profundidad de aproximadamente 5-8 m para evitar la cavitación .

Las bombas de pozo profundo son aquellas cuyo chorro se ubica en el fondo del pozo. La profundidad máxima para estas bombas está determinada por el diámetro interno y la velocidad del chorro. La principal ventaja de las bombas de chorro para instalaciones en pozos profundos es la posibilidad de ubicar todas las piezas mecánicas (por ejemplo, motor eléctrico/de gasolina, impulsores giratorios) en la superficie para facilitar el mantenimiento. La aparición de la bomba sumergible eléctrica ha reemplazado parcialmente la necesidad de bombas de pozo de tipo chorro, excepto en pozos perforados o tomas de agua superficiales.

En la práctica, para presiones de aspiración inferiores a 100 mbar absolutos, se utiliza más de un eyector, generalmente con condensadores entre las etapas del eyector. La condensación del vapor motriz mejora considerablemente la eficiencia del conjunto eyector; se utilizan tanto condensadores barométricos como condensadores de superficie de carcasa y tubos .

En funcionamiento, un sistema de dos etapas consta de un eyector primario de alto vacío (HV) y un eyector secundario de bajo vacío (LV). Inicialmente, el eyector LV se activa para reducir el vacío desde la presión inicial hasta una presión intermedia. Una vez alcanzada esta presión, el eyector HV se activa conjuntamente con el eyector LV para finalmente alcanzar el vacío hasta la presión requerida.

En funcionamiento, un sistema de tres etapas consta de un compresor primario, un eyector secundario de alto vacío (HV) y un eyector terciario de bajo vacío (LV). Al igual que en el sistema de dos etapas, inicialmente se activa el eyector LV para reducir el vacío desde la presión inicial hasta una presión intermedia. Una vez alcanzada esta presión, se activa el eyector HV junto con el eyector LV para reducir el vacío hasta la presión intermedia inferior. Finalmente, se activa el compresor (junto con los eyectores HV y LV) para alcanzar la presión de vacío requerida.

Los inyectores o eyectores están fabricados de acero al carbono , acero inoxidable , latón , titanio , PTFE , carbono y otros materiales.

• JB Snell (1973). Ingeniería mecánica: Ferrocarriles . Arrow Books. ISBN 978-0-09-908170-8.
• JT Hodgson; CS Lake (1954). Gestión de locomotoras (Décima  ed.). Tothill Press.

• Uso de eyector para elevar agua