Home
Global Supplier Directory
APPLIANCE Engineer
Supplier Solutions
APPLIANCE Line
Whitepaper Library
Calendar of Events
Association Locator
Contents Pages
Market Research
Subscription Center


 
   
issue: September 2006 APPLIANCE LatinoAmericana

Motores y Dispositivos y Equipos para manejo de Aire
La Nueva Generación de Compresores Premezcladores a Gas


 Printable format
 Email this Article
 Search

por Tom Costello, gerente de producto, ebm-papst Inc.

Los recientes incrementos en los costos de la energía y la demanda de los consumidores por el mejoramiento de su bienestar térmico motivaron el desarrollo de compresores con quemador a gas.

Ilustración 1.

Sin embargo, debido a su complejidad y altos costos iniciales, los OEM (por su sigla en inglés Original Equipment Manufacturers, o Fabricantes de equipos) están frente a una base limitada de clientes a no ser que puedan vencer el desafío de fabricar un sistema más pequeño, de menor costo que pueda ser mercadeado a mayor cantidad de clientes. Un componente clave encaminado a cumplir ésta meta sería un compresor con quemador a gas más pequeño, más silencioso y más confiable fabricado a menor costo.
Ésta nueva generación de quemadores a gas se diseñaría para suministrar el desempeño de aire actualmente suministrado por quemadores mas grandes instalados en las compresores de mas de 102.000 Btu/h (30 kW) sin sacrificar la eficiencia. Sus componentes serían diseñados para un ensamble altamente automatizado, pero ofreciendo la flexibilidad de diferentes configuraciones de conectores de entrada y salida, tres bornes de conexión ubicados simétricamente al rededor del eje del motor y voltajes de suministro de 24 V DC, 115 V AC o 230 V AC. También incluiría un 10% menos en el tamaño del caracol, balanceo dinámico en dos planos para una menor ruido en la estructura, mayor confiabilidad y una reducción del 30% de los componentes electrónicos integrados en un solo módulo IC.
La siguiente generación de compresores con quemador a gas le proporcionará a los fabricantes de compresores un mayor desempeño, confiabilidad y ahorros que pueden conducir a un sistema de calefacción más económico para todos los consumidores.

Puntos de referencia

Ilustración 2. Vista ampliada del motor y de los circuitos electrónicos de mando

La demanda de los consumidores en el mercado de la calefacción residencial con frecuencia conduce al desarrollo de nuevos productos y compresores condensadores de alta eficiencia con desempeño de 102 MBtuh (30 kW) que es el tamaño más utilizado en casas y apartamentos. los quemadores con premezclador a gas utilizados en éstos sistemas están basados en un motor conmutado DC que empuja un impelente curvado hacia atrás de 5.1” (130 mm) de diámetro. Éste compresor a gas radial (ver la ilustración 1) ha sido diseñado para producir una mezcla medida de aire y combustible a altas presiones estáticas para superar la impedancia del sistema a causa del venturi de aire-gas, el quemador, intercambiador de calor y sistema de ventilación. Sin embargo, con el incremento de los costos de la energía, los consumidores están demandando un compresor más pequeño, más silencioso, de menor costo que dependa, en parte de la nueva generación de tecnologías de compresores a gas.

Desarrollos

Metas
El presente trabajo es el resultado de un programa de desarrollo de dos años que produjo un compresor premezclador a gas más pequeño, más silencioso y más confiable, fabricado a menos costos y que, aún, satisface los requisitos de combustión de una compresor de 102 MBtuh (30 kW) sin sacrificar la eficiencia, incrementar el ruido o la velocidad del impeler. Llegar a un producto con éste desempeño requirió diseños innovadores, confiabilidad mejorada, estandarización, y un tamaño menor de instalación. Éstas metas produjeron reducciones en los costos, un nuevo impeler, el caracol, y un ensamble automatizado.

Requerimientos para el aire de combustión
Para darle el tamaño a un nuevo impeler y su receptáculo, primero identifique el punto de operación (ejemplo: tasa de flujo versus presión estática) para un compresor que produce 102 MBtuh (30 kW). La guía general de requerimiento de aire para combustión para una mezcla de aire y gas natural (metano) es una tasa volumétrica de ~10 partes de aire por una parte de gas. Esto se conoce con el nombre de aire estequiométrico o aire teórico, que es la cantidad de aire necesaria para proporcionar la cantidad de oxigeno requerido para una combustión completa.
En la práctica la combustión completa también puede depender de una cantidad adicional de aire requerida, llamada exceso de aire. El exceso de aire puede estar en el rango de 5 a 50%, dependiendo del combustible, el sistema de quemado y el método de mezcla de aire y combustible; sin embargo, normalmente el 25% de exceso de aire es lo óptimo. La relación general para calcular el aire teórico requerido para el metano y el propano está basada en la tasa volumétrica de estos combustibles con el aire. El metano requiere 9.53 partes de aire por una parte de gas y el propano requiere 23.82 partes de aire por una parte de gas.
La siguiente es la ecuación para calcular el aire teórico requerido para la combustión de combustibles gaseosos, en la cual i es el porcentaje de cada gas dentro del combustible y k es la constante aire-combustible para el gas (ejemplo: metano es 9.53 y propano es 23.82):

formula

Ejemplo: Calcule el aire teórico y el aire en exceso requerido para calcular un soplador de combustión que se va a instalar en un quemador a gas, operando con 25% de exceso de aire, con una tasa de entrada de 102.000 Btu/h (30 kW). Asuma que el gas natural está hecho de 100% metano con un valor de calentamiento de 1.000 Btu/cf.

Paso 1: Determine el volumen de la tasa de flujo del gas en pies cúbicos por minuto. Esta será la parte (1) de gas requerida.

formula

Paso 2: Determine el volumen de la tasa de flujo de aire teórico en pies cúbicos por minuto. Éstas serán las 9.53 partes de aire que se requieren.

formula

Paso 3: Determine el volumen de la tasa de flujo del aire en exceso en pies cúbicos por minuto.

formula

Paso 4: Sume el aire teórico y el exceso de aire. Esto dará el aire total requerido para la combustión.

formula

Paso 5: Si el gas va a ser mezclado con el aire antes de la entrada al compresor, sume el total del aire y el gas.

formula

El próximo paso es identificar la presión estática que se requiere a un volumen de tasa de flujo de 22 cfm (10.5 l/segundo). (A menudo éste cálculo es una tarea desafiante y es mejor determinarla empíricamente.) Por ello un sistema completo de compresor se conecta a una cámara de flujo de aire con un ventilador auxiliar que empuja aire a través del sistema a diferentes tasas de flujo. La presión correspondiente baja a través de una tobera de la cámara de flujo de aire en la cual se mide y se graba. Los datos se grafican mostrando una curva de impedancia exponencial del sistema de caldera. El punto de operación se define como el punto de intersección entre la curva de impedancia del sistema y la curva de desempeño del aire. Con base en muestras representativas de varios compresores premezcladores a gas de 102 MBtuh (30 kW), se determinó una presión estática de 4.4-inch. Wc (1.100 Pa) se requiere para entregar una mezcla de aire y combustible de 22 cfm (10.6 l/segundo).

Electrónica para motores y su manejo
Los recientes avances electrónica para motores y manejo de los mismos proporciona una base sólida para el desarrollo de nuevos productos. Se define claramente una tercera generación de motores DC sin escobillas (Ver ilustración 2):
• Reducción en altura total
• Reducción del ruido de la estructura mediante un mejor balanceo dinámico en dos planos
• Reducción en partes y componentes para una mayor confiabilidad y ensamble automatizado

Para completar el diseño del motor el circuito impreso (PCB) que contiene la electrónica de mando se diseñó para ser montada en el extremo del motor. Esto permitió la rotación de las conexiones eléctricas en incrementos de 120 grados proporcionando así tres posibles posiciones para los conectores (ver ilustración 2). El diseño también permitió el ensamble de la carcasa con equipos automatizados de producción.
El diseño del circuito fue mejorado aún más con el módulo IC adicionado al circuito impreso que incrementó la confiabilidad reemplazando el 30% de los componentes electrónicos. El módulo IC que se puede adquirir comercialmente integró muchas funciones en un solo componente: regulación de voltaje, protección por exceso de corriente, protección de bajo voltaje, protección de calentamiento y el acondicionador de señal del pulso modulado. Para mantener temperaturas seguras de los componentes se colocó un impeler radial en un orificio ubicado en el centro de la tarjeta de circuitos con un patrón de descarga de 360 grados para un enfriamiento óptimo (ver ilustración 2).

Balance
Las unidades de calefacción se vienen instalando con mayor frecuencia en sitios de vivienda por lo que es crítico el ruido durante la operación. Si un sistema rotatorio es balanceado en dos planos, se puede lograr un nivel de falta de balance mas bajito. Por ello, el balanceo dinámico del impeler principal conjuntamente con el impeler de enfriamiento (ver ilustración 2) para el circuito impreso proporcionó los medios para reducir el ruido generado por la estructura.

Impeler
El objetivo del nuevo diseño del impeler era reducir el tamaño total y aún así producir el mismo desempeño del aire sin aumentar la velocidad o los niveles de ruido. La reducción de costos y el ensamble automatizado también se incluirían en el proceso de diseño. El resultado fue un impeler de plástico moldeado inyectado en una pieza con curva hacia atrás con dimensiones de 4.7 pulgadas de diámetro por 0.32 pulgadas de ancho (118 mm x 8 mm). El diseño en una sola pieza redujo el diámetro en un 9%, los componentes en un 50% y eliminó un paso en el proceso de ensamble. Sin embargo, la reducción del diámetro y la remoción de la platina trasera bajó la eficiencia general. Para compensar esto, se cambió el ángulo de la cuchilla y se modificó la geometría de la carcasa para alinear el desempeño con el producto de referencia.

Caracol
El desarrollo de un impeler más pequeño proporcionó la oportunidad de reducir el tamaño total del caracol en un 10%. Un programa interno de simulación, ‘CFD’ permitió un análisis Geométrico para optimizar el diseño del caracol y compensar la reducción del volumen. Para permitir facilidad de ensamble y disposiciones específicas de los clientes, los rebordes de la entrada y salida se combinaron formando medio caracol. Un sellador líquido aplicado a las dos mitades del caracol durante el ensamble automatizado garantizó una conexión lista para la premezcla.

Conclusiones

La meta principal de desarrollar un compresor premezclador a gas mas pequeño, más silencioso, más confiable que se desempeñara al mismo nivel que sus predecesores más grandes se logró al final de un programa de desarrollo de dos años (ver ilustración 3). El diseño creativo y la ingeniería proporcionaron la oportunidad de desarrollar una nueva plataforma para la nueva generación de compresores a gas. Se ha subido el punto de referencia a un nuevo nivel de diseño e ingeniería para el futuro de la alta eficiencia de los compresores premezcladores a gas.

 

Daily News

...........................................................

Apr 16, 2014: Home Builder Confidence Steady in April

Apr 16, 2014: Little Swan Sees China Becoming a Front-Loader Washing Machine Market

Apr 16, 2014: Hisense Poised for Continued Growth in Africa

Apr 16, 2014: Sensor Hubs Seeing Big Gains

Apr 10, 2014: AGA Rangemaster Names Kathryn M. Ireland To Be North American Brand Ambassador

More Daily News>>

RSS Feeds
.........................................................
Appliance Industry
Market Research

...........................................................

March 2014: Market Research - 62nd Annual U.S. Appliance Industry Forecast
February 2014: Appliance Magazine Market Insight: December 2013
January 2014: Market Research - Appliance Historical Statistical Review: 1954-2012
January 2014: Appliance Magazine Market Insight: November 2013




 
Contact Us | About Us | Subscriptions | Advertising | Home
UBM Canon © 2014  

Please visit these other UBM Canon sites

UBM Canon Corporate | Design News | Test & Measurement World | Packaging Digest | EDN | Qmed | Pharmalive | Plastics Today | Powder Bulk Solids | Canon Trade Shows