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Ingeniería Mecánica: Juntas rotativas en la industria del papel

Las juntas rotativas son unos elementos que, de forma mas o menos habitual, podemos encontrar en cualquier entorno industrial. Son elementos muy usados con todo tipo de fluidos y en un rango de presiones muy variado. El grado de precisión de sus elementos mecánicos vendrá marcado por la aplicación en la que podemos encontrarla y determinará el grado de atención que debemos prestarle. Son elementos con un diseño común, encontraremos partes fijas, partes giratorias y uno o dos elementos de sellado. Así mismo, dependiendo de la temperatura a la que esté sometida durante su funcionamiento, se deberá refrigerar mediante un circuito externo en el que se hará recircular habitualmente el mismo fluido que atraviesa la junta rotativa.

Creo que para empezar a hablar sobre ellas puede ser buena idea empezar por describir la función de una junta rotativa y describir el criterio de diseño de la misma. La finalidad de una junta rotativa es permitir el paso de un fluido sometido a una determinada presión y de manera continua, ya sea hacia el interior o hacia el exterior de un elemento rotativo como puede ser un rodillo, un tambor, etc. sin que se produzcan fugas. Así, podemos encontrar juntas rotativas para el paso de vapor hacia en interior de los rodillos secadores o para la extracción de condesado de los mismos, también es muy habitual encontrar juntas rotativas en los rodillos térmicos de calandras, recirculando aceite térmico o agua a una determinada temperatura para el calentamiento de la superficie del rodillo, podemos encontrar otro ejemplo en las juntas rotativas para agua usadas en los sistemas de refrigeración de rodillos para la aplicación de estucado sobre la superficie de la hoja de papel.

Junta rotativa para agua de limpieza en un filtro de discos

Junta rotativa combinada de entrada y salida en un rodillo térmico

Junta rotativa combinada de entrada de vapor y salida de condensado de un rodillo secador

A continuación quiero mostraros cuál es el criterio de diseño de este tipo de elementos. Supongamos un recipiente cerrado como el de la siguiente figura. Si en el interior tenemos un fluido sometido a una determinada presión P1, el recipiente no se moverá puesto que las resultantes obtenidas sobre las caras interiores del mismo se compensan.

Recipiente conteniendo un fluido a presión P1

Imaginemos ahora que en la cara de la derecha del recipiente mecanizamos un orificio por el que puede deslizar un cilindro y que la cara exterior de la izquierda se apoya contra una pared, ver siguiente figura. En estas condiciones, si la presión interna en el recipiente P1 es mayor que la presión atmosférica el cilindro será expulsado hacia afuera con una fuerza cuyo valor K1 será:

Cilindro móvil en la pared derecha

Ahora bien, si invertimos el sistema apoyando el cilindro sobe una pared como se muestra en la siguiente figura, lo que se desplazará en este caso será el recipiente ya que se queda libre. Es fácil comprobar que el esfuerzo sobre el recipiente sigue siendo el mismo, es decir K1.

Sistema invertido, el esfuerzo K1 es el mismo

En estas nuevas condiciones el recipiente no tiene ninguna restricción de movimiento, si no se lo impedimos éste se desplazará sobre el cilindro hasta perder el contacto. Para evitar que el recipiente se salga del cilindro, modificaremos el extremo interior de éste para que tenga un escalón que impida que aquél pueda perder contacto con el pistón. Además, entre el tope del pistón y el recipiente colocaremos un aro de otro material que nos hará las veces de elemento de sellado y, de esta forma, nos acercaremos a la disposición final de una junta rotativa.

Disposición final de una junta rotativa simple

En este caso el valor del esfuerzo K1 ya no es el mismo ya que el diámetro que debemos usar esta vez será D1 en lugar de D. En el caso de la figura . Así pues, llegamos a una junta rotativa cuya disposición podemos encontrar en cualquier diseño que observemos. En la siguiente figura se muestra una junta rotativa para la salida del condensado en un rodillo secador, emplea un solo elemento de sellado que, en este caso, se trata de un anillo de grafito con apoyo frontal de forma esférica. Este tipo de sello es muy común en aplicaciones de vapor y condensado.

Junta para la salida del condensado en un cilindro secador

Puede observarse que su diseño es algo diferente al estudiado y es fruto del desarrollo de estos elementos frente al aumento de velocidad, caudales y presión del fluido de trabajo en las máquinas de papel. Se trata de una junta rotativa en la cual el esfuerzo K1 está soportado por el bastidor de la máquina mediante la fijación frontal de la junta al mismo (tornillos hexagonales 4), en este caso, el esfuerzo de sellado necesario es ejercido contra el elemento de grafito (aro 31) mediante unos elementos elásticos (muelles 26). A causa de ese esfuerzo continuo, el aro de grafito sufre un cierto desgaste y el elemento de junta (pistón de presión 28) se desplaza hacia la derecha. Ese desplazamiento, según la figura y en este caso, es como máximo de 15 mm, es fácilmente medible y nos da una idea del estado del aro de grafito. El aro de grafito y su asiento en el pistón de presión poseen una forma esférica para permitir la fijación radial del aro, aún así, es fácil observar que, cuando extraemos el aro por desgaste excesivo éste puede presentar un llamado desgaste diferencial (mayor por un lado que por otro) debido a cargas asimétricas producidas en la junta rotativa. Por ello es importante tener en cuenta las conexiones de las tuberías (dos si son juntas combinadas) a la hora de diseñarlas para que provoquen el menor efecto asimétrico posible (esfuerzos radiales y axiales) sobre las bridas de la junta rotativa, alargando así su funcionalidad.

A partir de estos principios podemos complicar el dispositivo todo lo que queramos, podemos emplear cierres mecánicos, aros compensados, materiales cerámicos, cojinetes de alta velocidad, etc. Evidentemente dependerá de la aplicación concreta y de cada caso. En la siguiente figura aparece una junta rotativa para la entrada y salida de agua caliente en un rodillo térmico de una calandra. Está diseñada para trabajar con agua hasta 160ºC y 15 bar de presión. Posee un cierre mecánico como elemento de sellado y su funcionamiento preciso está asegurado por medio de apoyos implementados mediante rodamientos de rodillos cónicos, que soportan los esfuerzos radiales y axiales generados por el fluido, y un cojinete radial de material cerámico. Posee igualmente agujeros que nos sirven como testigos de fuga cuando el cierre mecánico presenta desgaste excesivo, lo que produce cierta comodidad al saber en todo momento el estado de la funcionalidad de la junta mediante la toma de vibraciones y la observación de los testigos de fuga. Y, por último, cabe mencionar que posee la posibilidad de montar un sistema de refrigeración externa que nos servirá de barrera térmica entre el fluido de trabajo y la cámara de grasa de los rodamientos. Todo un alarde de buen diseño.

Junta rotativa para el calentamiento de un rodillo térmico de calandra

En la siguiente figura podréis apreciar la disposición de las tuberías de mayor diámetro para la entrada y salida de agua así como los conductos flexibles de menor diámetro para el agua de refrigeración.

Junta rotativa de rodillo térmico

Bueno, creo que esta entrada puede ilustrar la importancia que tienen estos elementos para la industria en general. Espero que como siempre os resulte instructivo. Os animo a dejad vuestros comentarios al respecto. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com
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  1. 07/09/2012 en 22:46 | #1

    Enhorabuena por el post. Muy interesante la entrada. Yo estoy trabajando en un diseño con juntas rotatorias y me ha resultado muy ilustrativo como punto de arranque. Gracias y enhorabuenta por el blog.

  2. Pablo A Palacios Sanchez
    02/02/2013 en 22:03 | #3

    Pienso construir un secador rotadisk. esta informacion es valiosa
    Pablo

  3. Claudio Solis
    09/07/2013 en 14:13 | #5

    Estoy trabajando en un levantamiento de información para una secadora de cartón, en la junta rotativa, las roscas son NPT ó BPS?. Gracias por tener este post.

    • 14/07/2013 en 19:20 | #6

      Hola Claudio, no tengo información de detalle al respecto. En los secadores de nuestra máquina se emplean juntas rotativas unidas mediante bridas con juntas de carton. En mi opinión no creo que exista una norma que emplee un determinado tipo de rosca. Siento no poder ayudarte. Un saludo.

      • Claudio Solis
        15/07/2013 en 00:47 | #7

        De todas maneras muchas gracias, lo importante es la vocación de ayudar y la honestidad en la información, eso habla de la buena actitud profesional…De todas maneras le puse Rosca NPT, creo que para todos los efectos las 2 sirven (NPT y BSP). Un abrazo.

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