ACT 2 RECONOCIMIENTOS DEL CURSO

TERMODINAMICA

DIANA CAROLINA OCHOA MUESES

Código: 1.144.029.557

TUTOR: CAROLINA LEON

GRUPO: 201015_13

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTACIA

INGENIERIA AMBIENTAL

02 DE SEPTIEMBRE DE 2015

Calderas

En la industria, es una maquina  o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase a vapor saturado.

Tipos de calderas:

Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por

tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales

termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad

de generación.

Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente

atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un

proceso de combustión. El agua se evapora al contacto con los tubos calientes

productos a la circulación de los gases de escape. No confundir esta definición con la

de un intercambiador de calor.

Los componentes fundamentales del dispositivo caldera, son:

Agua de alimentación: Es el agua de entrada que ingresa al sistema, generalmente constituye agua de pozo o agua de red. Esta agua se almacena en una cámara la cual se diseña de manera que el nivel del agua sobrepase a los tubos o conductos que contienen los gases de combustión. Esto se hace con el objetivo de que los gases de combustión transfieran parte de su energía al agua de alimentación, y así se acelere su conversión en vapor.

Agua de condensado: Es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor.

Vapor seco: Vapor de óptimas condiciones. Se almacena en una cámara, separado del agua en suspensión que aún no ha sufrido evaporación.

Vapor húmedo: Vapor con arrastre de espuma proveniente del agua de alcalinidad elevada. • Condensador: Sistema que permite condensar el vapor formado por el sistema.

Des aireador: Es el sistema que expulsa los gases de combustión a la atmósfera.

Purga de fondo: Evacuación de lodos y concentrado en el fondo de la caldera, por ejemplo: residuos sólidos provenientes de agua "dura".

Purga de superficie: Evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera.

Equipos auxiliares

Los Tanques de Condensados están diseñados para desempeñar varias funciones esenciales. El Tanque de Condensados proporciona agua de alimentación para el Generador de Vapor, actúa como un depósito para el retorno de condensados y es un medio ideal para mezclar los productos químicos de tratamiento de agua.

Las Válvulas de Regulación de Contrapresión se pueden suministrar con cada generador de vapor para controlar la presión mínima del generador en respuesta a la presión detectada por una línea de impulso corriente abajo. El propósito de la válvula es asegurar un funcionamiento estable ante variaciones de carga y se usa como parte del Sistema de Arranque Automátic. 

Los Sistemas de Dosificación de Productos Químicos mantendrán la correcta calidad del agua siendo un requisito de todos los tipos de plantas de producción de vapor. Los sistemas incorporan un tanque de almacenamiento de productos químicos de tamaño adaptado al Sistema de Vapor y una bomba de membrana de inyección de productos químicos controlada por microprocesador para medir la cantidad de productos químicos utilizados.

Los Descalcificadores de Agua Proporcionan un medio sencillo y práctico para medir la calidad del suministro de agua de alimentación al Generador de Vapor 

Las Bombas de Refuerzo asegurarán que se mantenga el NPSH mínimo para la Bomba principal donde el tanque de condensados está montado a bajo nivel. Las Bombas de Refuerzo se seleccionan en función de las características de los generadores suministrados. Los Tanques de Purgas están diseñados para procesar de forma segura los flujos de los sistemas de purga manual u automática del Generador de Vapor. Los tanques de purgas pueden ser suministrados con sistemas de enfriamiento de descargas si fuese necesario. 

Turbinas

La turbina es el equipo encargado de transformar energía potencial en forma de presión de vapor en energía cinética de rotación. El funcionamiento es muy sencillo: se introduce vapor a una temperatura y presión determinadas y la expansión de este vapor en el interior de la carcasa hace girar los álabes unidos a un eje rotor; a la salida de la turbina, el vapor que se introdujo tiene una presión y una temperatura inferior.

La mayor parte de la energía perdida por el vapor entre la entrada y la salida se emplea en mover el rotor, y una pequeña parte se pierde en forma de roces del vapor con partes fijas, rozamiento del eje en los cojinetes, pérdidas de calor por la carcasa en forma de radiación, conducción o convección, y fugas de vapor, internas o externas.

La turbina necesita también de unos equipos auxiliares muy sencillos, como:

- Un sistema de lubricación

-sistema de refrigeración

-aceite de lubricación

- sistema de regulación y control

-conductos de entrada y salida de vapor

- recinto de insonorización debidamente ventilado

-una cimentación

-soportes en que apoyarse. 

Funcionamiento de una turbina es muy sencillo: se introduce vapor a una temperatura y presión determinadas y este vapor hace girar unos álabes unidos a un eje rotor; a la salida de la turbina, el vapor que se introdujo con un nivel energético determinado tiene una presión y una temperatura inferior, es decir, ha cedido energía. Parte de la energía perdida por el vapor se emplea en mover el rotor. Necesita también de unos equipos auxiliares muy sencillos, como un sistema de lubricación, de

refrigeración, unos cojinetes de fricción, un sistema de regulación y control, y poco más.

Turbocompresor y comprensores

Los turbocompresores son turbo máquinas térmicas que sirven para comprimir un gas; se pueden dividir en dos grupos: soplantes y turbocompresores. Las máquinas hidráulicas TMH para gases se denominan ventiladores. Los ventiladores generan un incremento de presión total pequeño, del orden de 1 m. de c.a., o una relación de compresión 1,1. Si el incremento de presiones no excede el valor indicado, la variación de volumen específico del gas a través de la máquina se puede despreciar en el cálculo de la misma, por lo que el ventilador es una TMH.

Los turbocompresores son máquinas térmicas que comprimen gases con relaciones de compresión mayor, y por ello tienen incorporada refrigeración, a no ser que su destino aconseje lo contrario. Las ventajas de los turbocompresores en comparación con los compresores alternativos son: - Construcción compacta - Volumen de máquina reducido - Seguridad de funcionamiento - Mantenimiento prácticamente nulo - Carencia de desgaste - Escasa cimentación - Montaje sencillo - Marcha exenta de vibraciones - Regulación progresiva fácil - Carencia de vibraciones en los conductos de gas - Empleo de motores eléctricos normales, para su accionamiento.

Clasificación de los turbocomprensores

Los turbocompresores se clasifican, según la dirección del flujo, en los tres tipos siguientes ,1: a) Radiales; b) Diagonales (semiaxiales, radioaxiales ó de flujo mixto); c) Axiales

Compresores

En cualquier circuito neumático, la parte más importante es aquella en donde se produce el aire comprimido. Esta parte es el elemento llamado compresor.

Podría definirse el compresor como una máquina o dispositivo que toma aire con unas determinadas condiciones y lo impulsa a una presión superior a la de entrada. También se puede definir como una máquina de funcionamiento alternativo o rotatorio que tiene por objeto la compresión de un fluido (aire generalmente) para utilizar su fuerza de expansión debidamente regulada y transmitida al lugar más idóneo.

Los compresores se diferencian por su caudal o por su relación de compresión.La relación de compresión es un número adimensional que relaciona las presiones de entrada y salida del aire del compresor, es decir, informa del aumento de presión que provoca el compresor.

El caudal es la cantidad de aire comprimido que nos proporciona el compresor en una unidad de tiempo, es decir, la cantidad de aire del que se puede disponer.

Tanto el caudal, como la relación de compresión que proporciona un compresor, deben ser adecuados al consumo de aire que requiere el circuito.

Por lo general, los compresores se sitúan en compartimientos especiales, bien sea en lugares apartados donde no puedan molestar por el ruido que producen al trabajar o bien en el exterior de las instalaciones donde se halla el circuito si lo que desea es conseguir un aire de mayor calidad, es decir con menos impurezas. Sin embargo, también hay algunos tipos de compresores bastante silenciosos y otros equipos que no necesitan estar en un lugar fijo, sino que pueden ser trasladados con facilidad de un lugar a otro.

Los compresores se pueden clasificar en función de la forma de trabajo. Los más usados son de embolo, que son muy baratos, pero hacen bastante ruido. Otro tipo son los giratorios o rotativos más actuales y menos ruidosos. Dentro de cada grupo hay multitud de clases distintas de compresores.

Tipos de compresores:

De embolo: * de pistón

*De diafragma

Rotativo: *multicelular

*de tornillo helicoidal

*Roots

Turbocompresor: * radial

*axial

Bomba de pistón

Las bombas de pistón son utilizadas generalmente en la industria por su alto rendimiento y por la facilidad de poder trabajar a presiones superiores 2000 lb/plg2 y tienen una eficiencia volumétrica aproximadamente de 95 a 98%.

Clasificación de las bombas de pistón

Debido a la gran variedad de las bombas de pistón, estas pueden clasificarse como:

Bombas de pistón radial: Los pistones se deslizan radialmente dentro del cuerpo de la bomba que gira alrededor de una flecha.

Bombas de pistón axial: Los pistones se mueven dentro y fuera sobre un plano paralelo al eje de la flecha impulsora.

Bombas de pistón de barril angular (Vickers): Las cargas para impulsión de la bomba y las cargas de empuje por la acción del bombeo van soportadas por tres cojinetes de bolas de hilera simple y un cojinete de bolas de hilera doble. Este diseño de bomba ha dado un excelente servicio a la industria aeronáutica.

Bombas de pistón de placa de empuje angular (Denison): Este tipo de bombas incorpora zapatas de pistón que se deslizan sobre la placa de empuje angular o de leva. La falta de lubricación causará desgaste.

Principales características de las bombas de pistónEn la gran variedad de las bombas de pistón encontramos las siguientes características:

Bombeo de productos particulados y productos sensibles a esfuerzos de cizalla.

Manejo de frutas y verduras enteras, hojas, rodajas, trozos y dados de fruta.

Diseño higiénico.

Temperatura de trabajo: 120º C o más según el diseño.

Trabajo en vacío.

Bomba centrifuga

 Una bomba centrífuga es una máquina que consiste de un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja o cárter, o una cubierta o coraza. Se denominan así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga. Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza de esta misma acción. Así, despojada de todos los refinamientos, una bomba centrífuga tiene dos partes principales: (1) Un elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha, y (2) un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, estoperas y chumaceras.

Funcionamiento

 El flujo entra a la bomba a través del centro o ojo del rodete y el fluido gana energía a medida que las paletas del rodete lo transportan hacia fuera en dirección radial. Esta aceleración produce un apreciable aumento de energía de presión y cinética, lo cual es debido a la forma de caracol de la voluta para generar un incremento gradual en el área de flujo de tal manera que la energía cinética a la salida del rodete se convierte en cabeza de presión a la salida.              

Artes de una bomba centrifuga:

Carcasa.   Es la parte exterior protectora de la bomba y cumple la función de convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área.

Impulsores. Es el corazón de la bomba centrífuga. Recibe el líquido y le imparte una velocidad de la cual depende la carga producida por la bomba.

Anillos de desgaste. Cumplen la función de ser un elemento fácil y barato de remover en aquellas partes en donde debido a las cerradas holguras entre el impulsor y la carcasa, el desgaste es casi seguro, evitando así la necesidad de cambiar estos elementos y quitar solo los anillos.

Estoperas, empaques y sellos. La función de estos elementos es evitar el flujo hacia fuera del líquido bombeado a través del orificio por donde pasa la flecha de la bomba y el flujo de aire hacia el interior de la bomba.

Flecha. Es el eje de todos los elementos que giran en la bomba centrífuga, transmitiendo además el movimiento que imparte la flecha del motor.

Cojinetes. Sirven de soporte  a la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias.  Soportan las cargas radiales y axiales existentes en la bomba.

Bases. Sirven de soporte a la bomba, sosteniendo el peso de toda ella.

Bomba de calor

Las bombas de calor son un sistema de climatización de alta eficiencia energética en

donde el agente que se ocupa de compensar las cargas térmicas del espacio a

condicionar puede ser agua y/o aire. Al rendimiento de estos equipos se le denomina

COP y suele tener un valor aproximado de 2.5.

Son equipos muy eficientes, ya que por cada kW eléctrico consumido aportan como

mínimo 3 kW térmicos. Estos sistemas no son aptos para climas muy fríos, para estos

casos se recomienda la tecnología “Inverter”, que dispone de un compresor de

potencia adaptable. Un compresor de tipo inverter funciona siempre con una potencia

adaptable, trabajando con más fuerza cuando la temperatura se aleja de lo que marca

el termostato, y con menos fuerza cuando el cambio de temperatura es más suave.

Esta tecnología mejora el funcionamiento de las instalaciones y aumenta el

rendimiento del equipo.

Según de dónde se extraiga el calor y en función del fluido utilizado para transmitirlo,

existen tres tipos de bombas de calor:

Bomba de Calor Aire-Agua: extrae el calor del exterior y lo transmite al interior a través de un circuito de calefacción por agua.

Bomba de Calor Agua-Agua: extrae el calor de un río, lago o pozo para calentar o enfriar un circuito de calefacción.

Bomba de Calor Aire-Aire: es la más usada, extrae la energía del aire exterior y lo transmite al interior también en forma de aire.

Las bombas de calor tienen diferentes formas de distribución, que pueden ser las

siguientes:

Consola o equipo unitario: todos los componentes están juntos en una única unidad.Split: los componentes se separan en una unidad interior y otra exterior, para evitar el ruido del compresor en el interior del local a climatizar.Multisplit: en el interior de la vivienda hay varias unidades para climatizar diferentes estancias.Sistemas de distribución por tuberías: la unidad interior y exterior se unen mediante tubos de cobre.

Motores de combustión interna ( otto. Diesel)

Un motor de combustión interna basa su funcionamiento, como su nombre lo indica, en el quemado de una mezcla comprimida de aire y combustible dentro de una cámara

cerrada o cilindro, con el fin de incrementar la presión y generar con suficiente potencia el movimiento lineal alternativo del pistón.

Funcionamiento

En un motor el pistón se encuentra ubicado dentro del cilindro, cuyas paredes le restringen el movimiento lateral, permitiendo solamente un desplazamiento lineal alternativo entre el punto muerto superior (PMS) y el punto muerto inferior (PMI); a dicho desplazamiento se le denomina carrera 

Ciclo de funcionamiento

La mayoría de los motores de combustión interna trabajan con base en un ciclo de cuatro tiempos, cuyo principio es el ciclo termodinámico de Otto (con combustible gasolina o gas) y el ciclo termodinámico de Diesel (con combustible A.C.P.M.). Por lo tanto, su eficiencia está basada en la variación de la temperatura tanto en el proceso de compresión isentrópico1, como en el calentamiento a volumen (Otto) o presión constante (Diesel).

El ciclo consiste en dos carreras ascendentes y dos carreras descendentes del pistón. Cada carrera coincide con una fase del ciclo de trabajo y recibe el nombre de la acción que se realiza en el momento, así:

Admisión Compresión

Combustión - Expansión

Escape

Fases del funcionamiento del calor

Sistema de refrigeración

Los denominados sistemas de refrigeración corresponden a arreglos mecánicos que utilizan propiedades termodinámicas de la materia para trasladar energía térmica en forma de calor entre dos -o másfocos, conforme se requiera. Están diseñados primordialmente para disminuir la temperatura del producto almacenado en cámaras frigoríficas o cámaras de refrigeración las cuales pueden contener una variedad de alimentos o compuestos químicos, conforme especificaciones. Cabe mencionar la radical diferencia entre un sistema de refrigeración y un circuito de refrigeración, siendo este último un mero arreglo para disminuir temperatura el cual se define como "concepto", ya que su diseño (abierto, semi abierto, cerrado), fluido (aire, agua, incluso gas refrigerante), flujo (sólo frío o "bomba de calor") varían conforme la aplicación. Estos varían desde el clásico enfriamiento de motores de combustión interna por medio de agua hasta el water cooling utilizado en enfriamiento de computadores. Los sistemas de refrigeración tienden a ser bastante más complejos que un circuito de refrigeración y es por eso que se presentan aparte.

Tipos y Configuración de sistemas de refrigeración

Refrigeración por compresión Compresor industrial para R22. La refrigeración por compresión desplaza la energía térmica entre dos focos; creando zonas de alta y baja presión confinadas en intercambiadores de calor, mientras estos procesos de intercambio de energía se suceden cuando el fluido refrigerante se encuentra en procesos de cambio de estado; de líquido a vapor, y viceversa.

Tipos de compresión

Por su parte, los sistemas de refrigeración por compresión se diferencian o separan en dos grandes tipos:

Sistemas de compresión simple Eleva la presión del sistema mediante una sola carrera de compresión. Es el más común de los sistemas de refrigeración ampliamente utilizada en refrigeradores y equipos de aire acondicionado.

Sistemas de compresión múltiple Solución de compresión ideal para bajas temperaturas debido a las altas relaciones de compresión que estos sistemas superan.

Torres de enfriamiento

Las torres de enfriamiento son un tipo de intercambiadores de calor que tienen como finalidad quitar el calor de una corriente de agua caliente, mediante aire seco y frío, que circula por la torre.El agua caliente puede caer en forma de lluvia y al intercambiar calor con el aire frío, vaporiza una parte de ella, eliminándose de la torre en forma de vapor de agua.Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de subministra miento de aire en:

Torres de circulación natural

Atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de los aspersores. Se utiliza en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire.

Tiro natural: El flujo del aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para obtener el tiro deseado. Debido a las grandes dimensiones de estas torres se utilizan flujos de agua de más de 200000gpm. Es muy utilizado en las centrales térmicas

Torres de tiro mecánico

El agua caliente que llega a la torre es rociada mediante aspersores que dejan pasar hacia abajo el flujo del agua a través de unos orificios.El aire utilizado en la refrigeración del agua es extraído de la torre de cualquiera de las formas siguientes:

Tiro inducido: el aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas.

Tiro forzado: el aire es forzado por un ventilador situado en la parte inferior de la torre y se descarga por la parte superior.

Otros tipos: Torres de flujo cruzado. El aire entra por los lados de la torre fluyendo horizontalmente a través del agua que cae. Estas torres necesitan más aire y tienen un coste de operación más bajo que las torres a contracorriente.

Intercambiadores de calor

El calor es una energía en tránsito. Según el segundo principio de la termodinámica, éste pasa espontáneamente de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura hasta que ambos alcanzan un estado de equilibrio.

Un intercambiador es un equipo en el cual se produce dicha transferencia de calor, de un fluido o foco caliente a otro menos caliente de forma interesada y controlada. Aunque hay tres tipos posibles de transmisión de calor (conducción, convección y radiación), en los intercambiadores se realiza sólo por conducción y convección.Son intercambiadores de calor: los radiadores de calefacción, cualquier caldera, el condensador de una máquina frigorífica, etc.

Transmisión de calor por conducción

La transmisión de calor por conducción (Q) es inversamente proporcional al espesor del cuerpo que atraviesa (e) y directamente proporcional a la diferencia de temperaturas (T1-T2), a la superficie del cuerpo (S) y a una constante (K) denominada "conductividad térmica".

Transmisión de calor por convección

En la transmisión por convección tiene lugar un desplazamiento de materia o mezcla

turbulenta, que puede ser forzada (por bombas, ventiladores, etc) o natural si se da de

forma espontánea por diferencia de densidades.

La efectividad en la transferencia de calor

Se define como la razón entre la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor y la máxima transferencia posible, si se dispusiera de un área infinita de transferencia de calor.

Componentes

Fluidos

Los más utilizados son el agua, el agua sobrecalentada, el aire, el aceite y los refrigerantes. Las características de uno u otro determinan en muchos casos el

intercambiador a elegir. Entre ellas se pueden citar la temperatura y presión de trabajo, su posible cambio de fase, el calor específico, la viscosidad, la densidad, el peso específico, conductividad térmica, entalpía, partículas en suspensión, etc.

Equipo intercambiadorSegún la forma de transmisión del calor, los intercambiadores pueden ser:

Directos

Cuando existe una mezcla de fluidos (convección), donde el agua caliente se enfría al pulverizarse y ponerse en contacto con el aire frío (como ocurre en las torres de refrigeración).

Indirectos

Cuando no hay posibilidad de mezcla entre los fluidos (los más habituales). La transferencia de calor se realiza a través de una superficie.

Intercambiadores alternativosEn este caso los fluidos pueden recorrer un mismo espacio de forma alternativa, habitualmente se emplea para intercambio térmico aire-aire

Intercambiadores rotativos de aire-aireEs un tipo de intercambiador alternativo, de gran superficie y forma cilíndrica, que puede intercambiar calor sensible y latente entre los dos flujos.

Dicha superficie puede constar de tramas metálicas, o de espuma o de fieltro.

El control de intercambio de calor se efectúa variando la velocidad de rotación.

La eficiencia alcanza valores de 60% mínimo hasta un 80% o un 85% máximo para flujos en contracorriente, para flujos paralelos el valor baja hasta la mitad.

Intercambiadores de superficie

Los fluidos también pueden ocupar distintos espacios separados por una superficie. En este caso, de acuerdo con la dirección relativa de los flujos, se pueden clasificar como de flujos paralelos o de flujos cruzados. A su vez si es de flujos paralelos, éstos pueden tener el mismo sentido de circulación (equicorrientes) o sentido contrario (contracorriente). Los intercambiadores de flujos paralelos se suelen emplear en los intercambios térmicos líquido-líquido, los de flujos cruzados entre líquido-gas.El intercambiador de flujos a contracorriente permite calentar el fluido frío a una temperatura mayor que la de la salida del fluido caliente y a una mayor velocidad de transmisión.

Los intercambiadores indirectos, de superficie, y de flujos paralelos a contracorriente son con diferencia los más utilizados. Existe, a su vez, gran diversidad en sus formas de construcción y materiales empleados:

Intercambiadores estáticos de aire-aireSe trata de un intercambiador metálico, (generalmente de chapa galvanizada o aluminio anodinado) o plástico reforzado con fibra.

Los flujos de aire son en contracorriente o cruzados. Esta última disposición permite una mejor disposición de los conductos, mientras que la primera permite mayor transferencia de calor.

Cuando la temperatura de uno de los dos flujos sea inferior al punto de rocío de la otra, se produce una peligrosa condensación, cuyos efectos pueden dar lugar a corrosión y formación de hielo.

El valor de la eficiencia suele estar comprendido entre 40% al 60% de calor sensible.

Bibliografía