Experiencias contruyendo bombas difusoras  I

construcción de una difusora de aceite en cobre           (disculpen la publicidad de la página gratuita)

El objetivo de esta pagina no es hacer una guía para la construcción de una bomba difusora de aceite para alto vacío, (encontraras una buena guía para ello en la pagina del Profesor Franz de copenhage, www.cientificosaficionados.com  ),la idea es aportar mi experiencia en la construcción de una de ellas con pocos recursos y menos idea, para que pueda servir o otros en el mismo camino.

Para la construcción de esta bomba difusora solamente contaba con una pistola de aire caliente (de las de decapar), un taladro, una desbrabadora o radial de 15cm, un par de corta tubos de fontanero, (el mas grande de hasta 64mm conseguido en un desguace y reparado), y eventualmente una soldadora eléctrica de arco.







Construcción del cuerpo de la bomba

En un principio, y después de documentarme un poco por internet, (demasiado poco),  pensé que solamente tenia acceso a construir la bomba enteramente en cobre, ya que no disponía de medios para soldar otros materiales, parecía que seria más fácil hacerla en cobre que conseguir un torno y un soplete para soldar acero inoxidable. Partí de la propuesta de la bomba difusora del Profesor Franz, comentada antes, para tener unas referencias de medidas de algo que funcione, porque en internet encuentras información teórica pero cuesta encontrar planos y medidas de difusoras.
 
cuerpo difusora Empece complicándome la vida y encargue un par de piezas a un tornero, dos aros de bronce de 54 y 58 mm de diámetro interior respectivamente, me cobro 7 euros por cada uno. Su padre, un viejecito encantador que estaba sentado en una silla en un rincón del taller de tornería me advirtió de que le bronce es poroso y que lo estañase para hacerlo hermético.

Les hice seis agujeros y los soldé a una reducción 54 macho /35 hembra y a un casquillo empalmador de tubos de 54mm. Luego soldé otro empalmador seguido del primero para conseguir un tubo de 54mm de interior y 137mm de largo, (no existe un tubo comercial para fontanería de 54mm de interior y fue la única solución que se me ocurrió).

Los golpecitos que se pueden apreciar en la reducción de la entrada de alto vacío eran para presionar y fijar el aro de bronce antes de soldarlo.
cuerpo montado Le hice un agujero para albergar la salida de la bomba y le soldé una reducción y un codo ligeramente inclinado hacia arriba para impedir al máximo la perdida de aceite de la bomba. Luego monte una trampa de vapores en la salida con un tubo de 22mm, un tapón y un empalme al resto del circuito.

Finalmente le soldé un serpentín de refrigeración con un tubo fino, asegurándome que la ultima vuelta la diese alrededor de donde debería soldar más tarde la caldera, para proteger esta soldadura y evitar que se fundiese con la temperatura que debería alcanzar el aceite, entre 200 y 300 grados. El problema radicaba en la imposibilidad de poder hacer una soldadura que soportase esa temperatura y como eso condicionaba el diseño de todo el conjunto. En la parte refrigerada no tenia que tener problemas mientras no fallase el circuito de agua, pero en la parte de la caldera no podía hacer ningún empalme soldado porque se fundiría el estaño plata (punto de fusión 243 grados).

La antrada de alto vacío de la bomba la acabe con otra reducción 35 macho /28 hembra y un trozo de tubo de 28 insertado dentro, con un tapón de 28mm en la parte inferior y unos agujeros, para conformar otra trampa de vapores.

A estas alturas ya empece a darme cuenta de que me estaba saliendo la torta por un pan, ya que las reducciones de cobre y los complementos de fontanería son tremendamente caros. Aunque intente encontrar el máximo de material  en chatarreros siempre me veía obligado a comprar piezas, sobre todo los racores de latón, por la necesidad de que estuviesen limpios y en buenas condiciones.

Mas tarde, y después de varias pruebas y mediciones, niquele todo el interior de la bomba para intentar reducir el gaseado que producía el cobre, pero mejoro muy poco, solo sirvió para aprender a niquelar.

ver más fotos





El nefasto diseño de la caldera.


tornillo calderacaldera laton Al principio aborde el problema pensando que un buen reparto de la temperatura en el aceite seria lo idóneo. Conté con que el cobre tiene un coeficiente de transmisión de calor mayor que el acero inoxidable y sobredimensione la potencia de la resistencia.

Opte por una resistencia de soldador de martillo de 400W, que tendría que llegar (según especificaciones) a 450 grados. montada en un tornillo de acero de métrica 16, con una arandela agujereada soldada en la cabeza (para disipar el calor en el aceite), y alargado con un tornillo también de acero de métrica 8, suficientemente largo como para fijar los difusores.
Todo el conjunto atravesaba un tapón de latón de 54mm de fontanería (pense que a mayor pared mejor transmisión de calor al aceite), y sellaba la cabeza del tornillo contra el tapón con un aro de cobre, en esta zona no podía hacer ninguna soldadura porque no  aguantaría el calor. Todo iba aislado térmicamente con un tarro de conserva y aislante de fibra de vidrio de un calentador de gas.

soldadura antes El quid del asunto consistía en que la soldadura de la caldera con el cuerpo de la bomba estaría protegida por la última vuelta del serpentín de refrigeración, impidiendo su fusión. Pero ya en las primeras pruebas me di cuenta del primer error. La pared de latón de casi dos milímetros trasmitía demasiado rápido el calor y la base de la caldera no llegaba ni por asomo a los 240 grados, punto en el que se hubiera fundido la muestra de estaño que le ponía como testigo. Empece limando la pared de latón hasta dejarla en apenas 0,5mm y mejorando la canalización del calor de la resistencia hasta la base de la caldera. Llegué a ponerle una capa externa de cobre a la resistencia de  6mm de espesor a base de tubos concéntricos, pero tampoco conseguía llegar al punto de ebullición del aceite.

Así que me tuve que rendir a la evidencia de que con esta caldera jamas funcionaria  y asumí que tendría que volver a soldar otra vez la base de la bomba.


resistencia + cobrecaldera prueva Substituí la caldera por otra hecha con un tapón de cobre, más largo y más delgado, además rebaje la pared del tapón hasta 0,4mm  y lo estañe por fuera para evitar alguna posible porosidad en una pared de cobre tan delgada.

Tampoco así conseguía la temperatura necesaria. La base de la caldera si que superaba los 240 grados, pero al llenar la bomba de aceite, este también ayudaba a trasmitir el calor y no hervía como para tener presión de vapor suficiente. Le di la culpa a la resistencia, estaba hecha para no pasar de 450 grados y la hacia trabajar demasiado caliente como para que rindiese.

...y empecé a probar con otras fuentes de calor...
resistencia secadorresistencia estufa .... con la resistencia de un secador de 10 euros sumergida en barro refractario dentro de un bote de cuajada, duro unos cinco minutos...

... con la resistencia de una  barra de estufa de aproximadamente 700w enrollada a capas concéntricas en barro refractario. Esta alcanzo mas de 600 grados en las pruebas y aguantaba bien más de media hora al rojo, pero al montarla en la bomba y aislarla con fibra de vidrio se recalentó. Hizo hervir el aceite con fuerza durante media hora y se fundió.
resistencia calentado diesel Por fin encontré una solución al desequilibrio térmico que provocaba el echo de que todo fuese de cobre.

Cambie radicalmente el diseño de la resistencia. La idea era llevar el calor al mismo centro del aceite, (de una forma parecida a como Baldo construyo su difusora fontanera). Y la fuente de calor seria un calentador diesel de un citroen xara picaso, motor HTDI.
Escogí este modelo de calentador después de darle la vara durante casi una tarde entera a un amable vendedor de recambios de automóvil, mirando todos los catálogos de calentadores, revisando las características, medidas, potencia, tensión de alimentación, hasta que encontré uno de 180w a 12 v y con unas medidas que parecían encajar en el diseño.  Le compre uno por cortesía que me costo 24€, y compre cuatro más en un chatarrero a 4€ la unidad.

Modifique el diseño final respecto de dibujos preliminares y al final quedo en un tornillo de acero de métrica 16, perforado por dentro con una broca de 5,2mm y ensanchado luego a 8mm sin llegar hasta el final, para que abrazase el contorno del calentador.
caldera calentador El calentador mide 5mm en la parte de la resistencia y 8mm en el cuerpo, es necesario dejar un par de décimas a la resistencia para que se dilate y no se quede clavado dentro, (que es lo que me paso con el primero que rompí)

Por debajo, el tornillo,  estaba rematado con una tuerca de métrica 10 /100 que roscaba y fijaba el calentador, y por arriba tenia soldado otro tornillo de métrica 8mm para sujetar los difusores. Elimine la arandela agujereada del primer diseño que solamente servia para dificultar la limpieza posterior de la bomba. Los sellos eran aros de cobre, como en el diseño anterior, pero esta vez no monte el aislante térmico. En algunas pruebas se quemo un segundo calentador al derretirse el plástico aislante interior por estar metido dentro del bote con aislante, así que decidir mantenerlo al aire para permitir su refrigeración.

El calentador soporta sin problemas una sobrealimentación de 24v porque disipa rápidamente el calor y no llega a quemarse, y transmite potencia suficiente a la caldera como para hacer hervir ,al vacío, el aceite de bomba mecánica violentamente en unos diez minutos.

Se alimenta con un transformador de un SAI viejo. Se puede aprovechar el bobinado de salida como primario a 220v y el de ataque como secundario con varias tensiones, 12v, 15v, 20v, 24v, la potencia del transformador debe rondar los 1500w o 2000w por el tamaño y soporta toda la intensidad del calentador sin calentarse apenas.

Conclusión:  Al ser el cuerpo de la bomba y la caldera de cobre varían mucho los coeficientes de transmisión térmica con respecto al diseño en inox de la propuesta del Profesor franz, además el sistema de refrigeración por agua absorbe más rápidamente la temperatura producida por la resistencia. Con lo que el primer diseño de la caldera no habría funcionado nunca, o habría necesitado una fuente de calor enorme. La transmisión térmica a través del tornillo de acero era muy reducida comparada con el calor absorbido a través de las paredes de latón.
Con el segundo diseño de la caldera se soluciono el problema transmitiendo el calor directamente al aceite, aunque gran parte de la temperatura la seguía absorbiendo las paredes de cobre quedaba suficiente como para calentar el aceite. Hubiera sido necesaria una caldera más larga para repartir mejor el gradiente de temperatura, pero la imposibilidad de soldar ninguna pieza por debajo de la última vuelta del serpentín de refrigeración me lo impedía.




 El sistema de refrigeración


radiador nevera Para la refrigeración de la bomba opte por construir un circuito cerrado de agua a partir de un intercambiador de calor viejo de una cámara frigorífica.

En la foto se puede ver el radiador (al fondo), la botella del deposito de refrigerante (a la izquierda) que se convirtió en el deposito de liquido anticongelante, la bomba de agua de una caldera de gas (escondida frente al deposito, izquierda) que impulsa el liquido por el circuito, un ventilador (al centro), un compresor de nevera que utilice como primitiva bomba de vacío y la bomba difusora en la primera fase de construcción y pruebas.

El ventilador se clavó a las pocas horas de funcionar, así que lo desmonte y puse un tropicano viejo detrás del radiador para refrigerar el exceso de calor. El compresor lo substituí por una bomba rotativa de frigorista de doble efecto, imprescindible para conseguir el vacío previo que necesita la difusora para funcionar. Me costo 250 euros pero opte por comprarla nueva después de trastear varias bombas rotativas viejas sin grandes resultados y con una considerable perdida de tiempo y dinero.


A la salida del serpentín de refrigeración de la difusora monte un termómetro para monitorizar la temperatura de salida del agua. Este ha sido unos de los parámetros que más he utilizado para medir el funcionamiento de la caldera de la bomba, muy útil para controlar la velocidad de caldeo de la resistencia, las perdidas de calor por las paredes de cobre, la cantidad de calor utilizado para producir vapor, etc.

Llene el circuito con refrigerante de coche para aumentar el punto de ebullición y reducir la oxidación en el interior del circuito.



radiador completo Más tarde monte un conjunto de llaves que me permitían controlar el caudal del refrigerante, además de unos filtros que impedían que se obturase la llave de aguja de paso fino  (la que tiene montada una llave hallen) Esto me permitía poder controlar hasta cierto punto la temperatura de la caldera. Reduciendo el caudal aumentaba la temperatura en la base de la bomba hasta conseguir una temperatura de salida de agua de más de 80 grados. utilicé este truco para forzar la caldera, aumentar la presión del vapor de aceite, e ir afinando el diseño de los difusores hasta conseguir que la bomba funcionase correctamente.

También se pueden ver los sensores de presión montados en la entrada de alto vacío de la bomba, el transformador que alimenta el calentador de coche, y un tubo de descarga de Geissler, hecho con un fluorescente, que utilizaba como rudimentario barómetro y para buscar fugas en el circuito de vacío.

Conclusión: Este sistema de refrigeración, aunque es un poco aparatoso, funciona relativamente bien, además de servir de soporte a todo el conjunto. Con la difusora funcionando, y en equilibrio térmico, consigue mantener la parte superior del cuerpo de la bomba a menos de 50 grados en verano simplemente con la ventilación de la bomba rotativa, y apenas a 35 grados si hacemos funcionar el tropicano. Las llaves de control de caudal al final perdieron su utilidad cuando la bomba funciono correctamente y ahora siempre mantengo abierta la llave de paso principal.

Clicar en la foto para más detalles






Los difusores


El mayor problema que se me planteaba era no tener un torno para fabricar estas piezas, que deben tener una forma muy concreta, así que empecé a darle vueltas mentales a cualquier objeto que se pareciese a un difusor o tobera de vapor.  Igual que Baldo con su difusora fontanera (consultarla aqui) opte por utilizar reducciones de cobre para fabricar los difusores pero intentando ser fiel a las medidas del diseño de la bomba del Profesor, excepto que decidí  hacer una difusora de tres etapas. Otro problema importante era la imposibilidad de realizar soldadura alguna entre estas piezas, ya que todo el conjunto acabaría poniéndose a la temperatura de trabajo del vapor de aceite, por encima del punto de fusión del estaño. Solucione este problema uniendo las piezas entre si mediante el cortatubos de fontanero pero sin llegar a realizar completamente el corte, de forma que la estrangulación que produce la cuchilla presionase una pieza contra la otra. Este truco funciona muy bien, se pueden apreciar claramente los surcos que fijan las diferentes piezas entre si en las fotografías.

difusores primer diseño Lo más difícil fue encontrar una combinación de reducciones que fuesen encajando sucesivamente una dentro de la otra,  ya que no se fabrican piezas en todas las medidas ni combinaciones macho/hembra. (en adelante H = hembra, M = macho). Menos mal de tener un buen amigo que trabaja en una ferretería importante, con el que pasamos largos ratos en la trastienda buscando combinaciones de reducciones hasta dar con una valida (un saludo).

La más grande y que tenía que hacer de campana de la caldera es una reducción 54 M /42 H. En la primera foto se puede ver el primer diseño con los canales para permitir el retorno del aceite a la caldera. No se fabrica una reducción que encaje por dentro en un tubo de 54mm, por eso tuve que construir el cuerpo de la bomba con manguitos, para tener un tubo de 54mm de diámetro interior en el que encajase esta pieza.

Esta pieza dio problemas desde el principio, ya que al tener la pared exterior en contacto directo con las paredes de la caldera ayudaba a transmitir el calor rápidamente hacia el cuerpo de la bomba, impidiendo a la caldera llegar a la temperatura de evaporación del aceite.

difusores en dos partes Con el segundo diseño de la caldera cambie también la primera pieza de los difusores, haciéndola considerablemente mas larga y rebajando la pared exterior de la reducción (excepto en el reborde inferior, ver más fotos de los difusores) hasta 0,4mm, para evitar el contacto con las paredes de la caldera, de forma que solo se tocaban en el punto mas caliente, en la base de la caldera. Esta vez el retorno del aceite a la caldera se produce a través de unas pequeñas muescas practicadas en la base de la reducción.

La segunda pieza es una reducción de 42M a 22H a la que esta unido un trozo de tubo de 22mm. Esta encaja con la primera reducción para formar la base de los difusores y completar la caldera. Tiene  13 agujeros de 3,5mm  en la base del cono para la salida del vapor. El tubo esta cortado para que encaje con la siguiente pieza con una abertura mínima, que podemos ir ampliando colocando arandelas para ir separando las dos partes de la tobera.

La siguiente pieza esta formada por un reducción 42H a 28H y otra reducción 28M a 18M  unidas entre si. La primera esta recortada a la altura del final del cono para formar un sombrerillo  y la segunda tiene practicados 12 agujeros de 3mm para permitir la salida de vapor de la segunda etapa. La reducción pequeña la recortamos para que encaje con la siguiente pieza con una abertura mínima, que también podemos ir ampliando con arandelas de cobre.

difusores montados La cuarta pieza la componen una reducción 35H/22M y una 22H/16M. La primera también esta recortada a la altura de la máxima abertura del cono y la segunda tiene 8 agujeros de 3,5mm
para la salida del vapor de la tercera etapa. También esta se debe recortar para que encaje justa contra la siguiente pieza, pudiendo ampliar la abertura de la tobera con arandelas de cobre.

La última pieza esta formada por una reducción 28H/18M  recortada para formar un sombrero y un tapor de 18mm, al que le hice un agujero de 8mm para el tornillo fijador.

A todas la piezas les di un acabado lo mas simétrico y pulido posible para asegurar la simetría de los chorros de vapor en las toberas. Algunas piezas tuve que pulirlas un poco y otras las tuve que abocardar para que encajasen con cierta presión, pues no todas las medidas de diámetros interiores y exteriores son correlativas.

Aquí podemos ver el conjunto montado con las tres toberas encajadas. Es importante escoger bien las piezas, porque las hacen con diferentes ángulos de cono, de forma que las dos partes de cada una de las toberas sean  paralelas.

Todas las uniones fijas esta hechas con el truco del cortador de tubos excepto la del tapón a la última reducción, que ya encajaban a presión.






El funcionamiento


Me costo casi medio año de pruebas y modificaciones conseguir que funcionase más o menos decentemente. Tampoco dispongo de ocho horas todos los días,  ni siquiera de alguna hora todos los días, (además hay que sumar el tiempo que me llevó niquelar todas las piezas por dentro), pero pase muchas horas luchando con ella, dándole vueltas y realizando multitud de pruebas y mediciones, experiencia que intentare resumir en este apartado.

demostración del agua Para ilustrar el funcionamiento de la difusora me fije en como funcionaban los sistemas de partículas complejos y casi sin rozamiento, y en especial el de un chorro de agua impactando contra una superficie cóncava (como en la foto).  Si el chorro es más o menos uniforme produce una película continua de agua que se parte en gotas a cierta distancia de la cuchara, dependiendo esta distancia de la perfección de la simetría del conjunto y de la fuerza con la que impacta el chorro de agua. En una difusora el funcionamiento de los chorros de vapor es similar pero dirigidos hacia abajo. Si conseguimos un chorro uniforme y sin desgarros de la película de vapor, por defectos de simetría, entre la tobera y la pared interior de la bomba, las moléculas de gas residual no tendrán resquicios para colarse hacia las parte superior de la película de vapor de aceite, y las que entren en contacto con el chorro de vapor se verán empujadas hacia abajo atravesándolo.

Como en la película de agua, contra más presión tenga el vapor más uniforme será el chorro a un diámetro mayor. Por eso es importante asegurar una presión mínima en cada una de las etapas o toberas de los difusores para generar en cada una un chorro de vapor suficientemente uniforme.

Aquí juega un papel muy importante la temperatura de la base de la caldera, y la distribución de la cantidad de vapor que sale por cada una de las etapas de la difusora.

Además debemos de tener en cuenta que en cada etapa, si todo va bien,  habrá menos presión que en la anterior, con menos densidad de moléculas de gas residual, por lo que el vapor podrá llegar más lejos sin romper la película, pudiendo aumentar la distancia entre el difusor y las paredes de la bomba y reducir la presión del vapor para conseguir el mismo efecto que en la anterior etapa. A mayor distancia entre el difusor y las paredes de la bomba mayor cantidad de moléculas atrapadas y mejor caudal de la bomba.

piezas catodico sin pulir
clicar en la foto para ampliar
También es importante que la tobera del difusor tenga un canal, justo después de los agujeros, donde se pueda igualar la presión del chorro, nos interesa una película uniforme de vapor saliendo de la tobera y no pequeños chorros diferenciados por cada agujero, de ahí que necesitemos una distancia mínima en la que las paredes superior e inferior de la tobera discurran paralelas.

Realizando pruebas con cada uno de los difusores por separado, (abriendo uno y cerrando los demás), me di cuenta que cuanto mayor sea la abertura de la tobera mejor funciona esta, hasta llegar a una abertura limite en la que seguramente la película de vapor pierde simetría.

Aquí topaba con la limitación de la potencia que la resistencia de la caldera destinaba a producir el vapor, por culpa del material de la bomba. El cobre es un mal material en este caso, por su enorme conductividad térmica, y no me permitía tener abiertos todos los difusores en su punto óptimo de trabajo porque caía la presión del vapor en todos los difusores y disminuía la eficacia total de la bomba.

Medí los mm² totales de abertura para el vapor de cada etapa y me di cuenta de que excedían con mucho los de la propuesta de la bomba del Profesor Franz, (comparativa en la foto de al lado)  grabe error, que sumado a la falta de potencia de la caldera por culpa del material utilizado hacia que variasen mucho los parámetros de funcionamiento de esta difusora.

sensor de vacío Además el cobre también es un mal material para hacer con él el cuerpo de una bomba difusora por la gasificación que provoca. En muchas ocasiones he confundido la enorme gasificación de las paredes de la bomba y otras piezas de cobre con pequeñas fugas, sobretodo cuando la ponía al vacío después de haber estado un tiempo en contacto con la atmósfera. Se produce un efecto que he venido a llamar "mojado del cobre con aire". Es como un cartón mojado de agua, al que le cuesta secarse mucho más que el cristal, por ejemplo..., pues el cobre se comporta así con el aire, se moja de este y le cuesta ir soltando las moléculas de aire con lo que nos esta "ensuciando" constantemente el vacío.

más detalles del funcionamiento

Construí un sensor de presión, primero con una Ntc pero presentaba una deriva constante, luego construí otro basado en una PT100 para monitorizar el funcionamiento de la difusora. Las demás piezas del circuito para vacío también las fui montando utilizando un sistema de cierre a base de sellos de cobre. (ver descripción del sistema de cierre para vacío en cobre).





 Conclusión:

Como ya he repetido varias veces, el cobre no es un buen material para construir el cuerpo de una difusora, porque su conductividad térmica le resta potencia a la caldera, y por el gaseado. Además la soldadura con estaño-plata, (o soldadura blanda), nos limita el diseño de la caldera, ya que esta tiene que soportar temperaturas superiores a las del punto de fusión de la soldadura. Es por eso que recomiendo encarecidamente intentar hacer el cuerpo de la bomba en inox, este material tiene un coeficiente de transmisión de la temperatura incluso menor que el hierro, y se puede soldar con plata al 40% con un sencillo soplete de oxi-propano, (soldadura fuerte) aguantando hasta 680º sin fundirse, además es inerte y da muchos menos problemas de gaseado.
En cambio los difusores hechos de reducciones de cobre si pueden ser una buena solución si no se dispone de torno, porque están protegidos de la corrosión por el aceite de la difusora y porque si gasean (como dijo Baldo) ya se cansaran. En este caso la segunda y la tercera etapa de difusores están demasiado cerca una de otra y seguramente se interfieren, pero la limitada altura de la bomba me impedía separarlos. Si a alguien se le ocurre construirlos así le aconsejo reducir un poco la abertura de los agujeros de las toberas, o montar solo dos etapas de difusores, para aumentar la presión en la caldera.
Otros problemas, del diseño de esta difusora, son que tanto el fondo de la caldera, como la trampa para vapores, son de difícil acceso y limpieza, porque no se puede desmontar el tornillo que sujeta los difusores, y porque hay zonas en la cabeza de la bomba que son inaccesibles, con los consiguientes problemas de suciedad y gaseado.


Ahí queda...,Yo por mi parte ya tengo proyectado construir otra difusora, con el cuerpo de inox, más larga, (para permitir modificaciones en los difusores), con una potencia máxima de la caldera  mayor, más fácil de limpiar y compatible con el sistema de cierre para vacío en inox que también se presenta en esta página.

ver...
construyendo una difusora de aceite en acero inoxidable





Espero que esto le pueda ser útil a alguien, que es la única finalidad de esta página

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