FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS
Contenido
MANEJO Y USO DE LOS EQUIPOS DE TERMODINAMICA ............................ .......................................... ............................ ............................ .................... ...... 2 I.-OBJETIVOS: .......................... ......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 2 II.-MARCO TEORICO:........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ .................... ...... 2 2.1.-CALDERA DE VAPOR: ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ .................... ...... 2 2.1.1.-DEFINICION:........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ .. 2 2.1.2.-FUNCIONAMIENTO:........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ................. .... 2 2.1.3.-CLASIFICACION 2.1.3.-CLASIFICACION DE LAS CALDERAS: ............................ .......................................... ............................ ............................. ............................. ................ 2 2.1.4.-COMPORTAMIENTO 2.1.4.-COMPORTAMIE NTO DE LAS CALDERAS: ........................ ...................................... ............................ ............................ ........................... ............. 3 2.1.5.-PARTES DE UNA CALDERA: ........................ ....................................... ............................. ............................ ............................ ............................ .................... ...... 4 1. HOGAR O FOGON: ............... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ................. .... 4 2. PUERTA PUERTA HOGAR: .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ...................... ........ 5 3. EMPARRILLADO: EMPARRILLADO: ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ...................... ........ 5 4. CENICERO: .................................. ................................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ......................... ........... 5 5. PUERTA PUERTA DEL CENICERO: ............. ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ....................... ........ 6 6. ALT ALTAR:................................... ................................................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 6 7. MAMPOSTERIA: ....................... ..................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ........................... ............. 6 8. CONDUCTOS DE HUMO: ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ......................... .......... 6 9. CAJA DE HUMO ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. ........................ .......... 6 10. CHIMENEA: ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ .. 7 11. REGULADOR DE TIRO O TEMPLADOR: ............................. ........................................... ............................ ............................. ......................... .......... 7 12. TAPA S DE REGISTRO O PUERTAS DE INSPECCION:............. INSPECCION:........................... ............................ .................... ...... 7 13. PUERTAS PUERTAS DE EXPLOSION: .................................. ................................................ ............................ ............................ ............................ ........................... ............. 7 14. CAMARA DE AGUA: ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ................. .... 7 15. CAMARA DE VAPOR: ...................... .................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ .................... ...... 7 16. CAMARA DE ALIMENTACION ALIMENTACION DE AGUA: ................. ............................... ............................ ............................ ............................. ....................... ........ 8 2.3.-REACTOR TERMICO: ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. .................... ...... 10 III.-CALCULOS Y RESULTADOS: ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ............. 11 IV.-CONCLUSIONES: ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ .................. .... 13 V.-RECOMENDACIONES: V.-RECOMENDACION ES: ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ......................... ........... 13 VI.-BIBLIOGRAFIA Y WEBGRAFIA:...................................... .................................................... ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 13
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MANEJO Y USO DE LOS EQUIPOS DE TERMODINAMICA I.-OBJETIVOS:
Conocer el uso y manejo de los instrumentos de Laboratorio de Química tales como Caldera de Vapor, Reactor Térmico, Intercambiador de Calor. Conocer los peligros al manejar estas máquinas del Laboratorio de Química dirigido al curso de Termodinámica. Aplicar los conceptos hechos en el salón de clases y ser llevados a los Laboratorios de Termodinámica.
I I .-MARCO TEORI CO: 2.1.-CALDERA DE VAPOR: 2.1.1.-DEFINICION:
Se llama así al conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios. En la práctica se habla de “calderas” refiriéndose a todo el conjunto o “generador de vapor”. Por tal razón, en adelante, usaremos indistintamente ambos términos. 2.1.2.-FUNCIONAMIENTO:
Funcionan mediante la transferencia de calor, producido generalmente al quemarse un combustible, el que se le entrega al agua contenida o que circula dentro de un recipiente metálico. En toda caldera se distinguen dos zonas importantes:
Zona de liberación de calor u hogar o cámara de combustión: Es el lugar donde se quema el combustible. Puede ser interior o exterior con respecto al recipiente metálico.
INTERIOR: El hogar se encuentra dentro del recipiente metálico o rodeado de paredes refrigeradas por agua. EXTERIOR: Hogar construido fuera del recipiente metálico . Está parcialmente rodeado o sin par ede s ref riger ada s por agua. La transferencia de calor en esta zona se realiza principalmente por radiación (llama - agua).
Zona de tubos: Es la zona donde los productos de la combustión (gases o humos) transfieren calor al agua principalmente por convección (gases - agua). Está constituida por tubos dentro de los cuales pueden circular los humos o el agua.
2.1.3.-CLASIFICACIONDELASCALDERAS:
La clasificación general de las calderas, de acuerdo al mayor uso en nuestro país, sería la siguiente: 1. Atendiendo a su posición: a) Horizontales b) Verticales 2. Atendiendo a su instalación: a) Fija o estacionaria
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS b) 3. a) b) 4. a) b) c)
Móviles o portátiles Atendiendo a la ubicación del hogar: De hogar interior De hogar exterior Atendiendo a la circulación de los gases: Recorrido en un sentido (de un paso) Con retorno simple (de dos pasos) Con retorno doble (de tres pasos)
2.1.4.-COMPORTAMIENTODELASCALDERAS:
El comportamiento de una caldera puede expresarse en función de los kilogramos de vapor producido por metro cua drado de superf icie de calefacción y por hora (coeficiente de evaporación). Esta producción de vapor se ha ido elevando en los tiempos modernos.La intensificación de la producción de vapor se basa principalmente en la circulación de agua en el interior de los tubos, con una velocidad tal, que el vapor que se va formando por el calentamiento de
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS los mismos, va saliendo con la misma corriente del agua que se evapora, porque de no ser así, las burbujas de vapor formadas crearían espacios huecos en el líquido que no podrían absorber el calor transmitido, quemándose el material de los tubos. CARACTERISTICAS DE CALDERAS
TABLA: TIPO DE CALDERA
Hogar R
exterior
PRESION MAXIMA
PRODUCCION MAX. NOMINAL VAPOR
SUPERFICIE COEFICIENTE DE DE CALEFAC. EVAPORACION kg/h m2 m2
10
3.500
22-230
12-15
A
Escocesa
18
15.000
10-600
18-25
U
Locomóvil Mixta
15
2.500
10-120
17-22
U
Tambores
10
20.000
700
30-32
10
1.600
4-100
15
25-2300
L B T O RI P
15 R A
Tubos Rectos Tubos
100
230.000
B
Curvos
225
2.000.000
T
Forzada
U
L U O
Circulación
225
225.000 y más
mayor a 100 ----------
20-100 20-600 hasta 3.000
U C A
2.1.5.-PARTESDEUNACALDERA:
Debido a que cada caldera dispone, dependiendo del tipo, de partes carac terísticas, es muy difícil atribuir a todas ell as un determinado componente. En razón a lo anterior se analizarán las partes principales de las calderas en forma general, especificando en cada caso el tipo de caldera que dispone de dicho elemento. 1. HOGAR O FOGON:
Es el espacio donde se produce la combustión. Se le conoce también con el nombre de Cámara de Combustión. Los hogares se pueden clasificar en: a) Según su ubicación.
Hogar exterior. Hogar interior.
b) Según el tipo de combustible.
Hogar para combustible sólido. Hogar para combustible gaseoso. C) Según su construcción. Hogar liso.
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Hogar corrugado.
Esta clasificación rige solamente cuando el hogar de la caldera lo componen uno o más tubos a los cuales se les da el nombre de “Tubo Hogar”. 2. PUERTA HOGAR:
Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en su interior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se echa el combustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control del fuego. En las calderas que queman combustibles líquidos o gaseosos, esta puerta se reemplaza por el quemador. 3.
EMPARRILLADO:
Son piezas metálicas en forma de rejas, generalmente rectangular es o trapezoidales, que van en el interior del fogón y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del Aire Primario que sirve para que se produzca la combustión. a) Las parrillas deben adaptarse al combustible y deben cumplir principalmente los siguientes requisitos:
Deben permitir convenientemente el paso del aire. Deben permitir que caigan las cenizas. Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez. Deben impedir que se junte escoria. Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que no quemen o deformen. Deben ser durables.
Algunos diseños de parrillas permiten que por su interior pase agua para refrigerarla y evitar recalentamientos. b) Tipos de parrilla: Según su instalación: Fijas o estacionarias: Son aquellas que no se muevan durante el trabajo. Móviles o rotativas: Son aquellas que van girando o avanzando mientras se quema el combustible. Según su posición: o Horizontales o Inclinadas o Escalonadas. o
4. CENICERO:
Es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir las cenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarse periódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión.
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS En algunas calderas el cenicero es un depósito de agua. 5. PUERTA DEL CENICERO:
Accesorio que se utiliza para realizar las funciones de limpieza del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar también la entrada del aire primario al hogar. Cuando se hace limpieza de fuegos o se carga el hogar, se recomienda que dicha puerta permanezca cerrada con el objeto de evitar el retroceso de la llama (”Lengua de Toro”). 6. ALTAR:
Es un pequeño muro de ladrillo, refractario, ubicado en el hogar, en el extremo opuesto a la puerta del fogón y al final de la parrilla, debiendo sobrepasar a ésta en aproximadamente 30 cm. Los objetivos del altar son: Impedir que caigan de la parrilla residuos o partículas de combustible. Ofrecer resistencia a las llamas y gases para que éstos se distribuyan en forma pareja a lo ancho de la parrilla y lograr en esta forma una combustión completa. Poner resistencia a los gases calientes en su trayecto hacia la chimenea. Con esto se logra que entreguen todo su calor y salgan a la temperatura adecuada. 7. MAMPOSTERIA:
Se llama mamposteria a la construcción de ladrillos refractarios o comunes que tienen como objeto: a) Cubrir la caldera para evitar pérdidas de calor. b) Guia r los gas es y humos ca lien tes en su re corr ido. Para mejorar la aislación de la manpostería se dispone, a veces, en sus paredes de espacios huecos (capas de aire) que dificultan el paso del calor. En algunos tipos de calderas se ha eliminado totalmente la mampostería de ladrillo, colocándose solamente aislación térmica en el cuerpo principal y cajas de humos. Para este objeto se utilizan materiales aislantes, tales como lana de vidrio recubierta con planchas metálicas y asbestos. 8. CONDUCTOS DE HUMO:
Son los espacios por los cuales circulan los humos y gases calientes de la combustión. De esta forma, se aprovecha el calor entregado por estos para calentar el agua y/o producir vapor. 9. CAJA DE HUMO:
Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan los humos y gases, después de haber entregado su calor y antes de salir por la chimenea.
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS 10. CHIMENEA:
Es el conjunto de salida de los gases y humos de la combustión para la atmósfera. Además tiene como función producir el tiro necesario para obtener una adecuada combustión. 11. REGULADOR DE TIRO O TEMPLADOR:
Consiste en una compuerta metálica instalada en el conducto de humo que comunica con la chimenea o bien en la chimenea misma. Tiene por objeto dar mayor o mejor paso a la salida de los gases y humos de la combustión. Este accesorio es accionado por el operador de la caldera para regular la cantidad de aire en la combustión, al permitir aumentar (al abrir) o disminuir (al cerrar) el caudal. Generalmente, se usa una combinación con la puerta del cenicero. 12. TAP AS
DE REGISTRO O
PUERTAS
DE INSPECCION:
Son aberturas que permiten inspeccionar, limpiar y reparar la caldera. Existen dos tipos, dependiendo de su tamaño:
Las puertas hombre Las tapas de registro. La puerta hombre por sus dimensiones permite el paso de un hombre al interior de la caldera. Las tapas de registro, por ser de menor tamaño, permiten sólo el paso de un brazo. 13. PUERTAS DE EXPLOSION:
Son puertas metálicas con contrapeso o resorte, ubicadas generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso de presión en la cámara de combustión, permitiendo la salida de los gases y eliminando la presión. Sólo son utilizables en calderas que trabajen con combustible líquido o gaseoso. 14. CAMARA DE AGUA:
Es el volumen de la caldera que está ocupado por el agua que contiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debe descender nunca el agua durante su funcionamiento. Es el comprendido de l ni ve l mí ni mo vi si bl e en el tu bo de ni ve l hacia abajo. 15. CAMARA DE VAPOR:
Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superior máximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera. Mientras más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara. En este espacio o cámara, el vapor debe separarse de las partículas de agua que lleva en suspensión. Por esta razón, algunas calderas tienen un pequeño cilindro en la parte superior de esta cámara, llamada “domo”, y que contribuye a mejorar la calidad del vapor (hacerlo más seco).
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS 16. CAMARA DE ALIMENTACION DE AGUA:
Es el espacio comprendido entre los niveles máximo y mínimo de agua. Durante el funcionamiento de la cámara, se encuentra ocupada por agua y/o vapor, según sea donde se encuentre el nivel de agua.
2.2.-INTERCAMBIADORES DE CALOR: Los intercambiadores de calor son los dis p ositiv os que permiten realizar dicha tarea. Un entendimiento básico de los componentes mecánicos de los intercambiadores de calor es necesario para comprender cómo estos funcionan y operan para un adecuado desempeño. Se presentan los tipo s de intercambiadores de calor en función del flujo: flujo paralelo; contraflujo; flujo cruzado. Además se analizan los tipo s de intercambiadores de calor con base en su construcción: tubo y carcaza; placas, y se comparan estos. Se presentan también los intercambiadores de paso simple, de múltiples pasos, intercambiador de calor r egenerador e intercambiador de calor no regenerativo. Al final se incluyen a lg unas de las posibles aplicaciones de los intercambiadores de calor. Un intercambiador de calor es un c omp onente que permite la transferencia de calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido. En tre las principales razones por las que se utilizan los intercambiadores de calor se encuentran las siguientes:
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS Calenta r un fluido frío mediante un fluido con mayor temperatura. Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con menor temperatura. Llevar al punto de ebullición a un fluido mediante un fluido con mayor temperatura. Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido frío. Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura. Debe quedar claro que la función de los intercambiadores de calor es la transferencia de calor, donde los fluido s invo lucrados deben estar a temperaturas diferentes. Se debe tener en mente que el calor sólo se transfiere en una sola dirección, del fluido con mayor temperatura hacia el fluido de menor temperatura. En los intercambiadores de calor los fluido s utilizados no están en contacto entre ellos, el calor es transferido del fluido con mayor temperatura hacia el de menor temperatura al encontrarse ambos fluidos en conta cto térmico con las paredes metálicas que los separan. Tip os de intercambiador es de calor según su constr ucción
Si bien los intercambiadores de calor se presentan en una inimaginable variedad de formas y tamaños, la construcción de los intercambiadores está incluida en alguna de las dos siguientes categorías: carcaza y tubo o plato. Como en cualquier dispositivo mecánico, cada uno de estos presenta ventajas o desventajas en su aplicación. 2.1
Carcaza y tubo
La construcción más básica y común de los intercambiador es de calor ca r caza que se muestr a en la figura (1).
Intercambiador de calor de carcasa y tubos.
es
el de tipo tubo y
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS Este tipo de intercambiador consiste en un conjunto de tub o s en un contenedor llamado carcaza. El flujo de fluido dentro de los tubos se le denomina comúnmente fl u jo inter no y aquel que fluye en el inter ior del contenedor como fluido de carcaza o fluido externo. En los extremos de los tubo s, el fluido interno es separado del fluido exter no de la ca r caza por la(s) placa(s) del tubo. Los tubos se sujetan o se sueldan a una placa para proporcionan un sello adecuado. En sistemas donde los dos fluidos p res entan una gran diferencia entre sus pres iones, el líquido con mayor presión se hace circular típica mente a través de los tubos y el líquido con una presión más baja se circula del lado de la cáscara. Esto es debido a los costos en materiales, los tubo s del intercambiador de calor se pueden fabricar para soportar presiones más altas que la cáscara del cambiador con un costo mucho más bajo. Las placas de soporte (support plates ) mostradas en figura (1) también actúan como bafles para dirigir el flujo del líquido dentro de la cáscara hacia adelante y hacia a tr á s a tr avés de lo s tubo s.
2.3.-REACTOR TERMICO:
Los reactores térmicos son aquellos que funcionan ralentizando (moderando) los neutrones más rápidos o incrementando la proporción de átomos fisibles. Para retardar estos neutrones, llamados neutrones lentos, se necesita un moderador que puede ser agua ligera, agua pesada o grafito. Es un equipo termodinámico con una salida interior para facilitar la extracción del producto. El sello de la tapa se realiza por medio del labio tipo brida, el espesor aproximado de la pared es de 5 milímetros. Tiene una tapa con 4 juntas cónicas 24/40 y/o con rosca, la conexión de la tapa con el cuerpo se realiza mediante una abrazadera de acero inoxidable, con escala graduada y base de acero inoxidable. Modelo: REC-1000.
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I I I .-CALCULOS Y RESULTADOS: En el presente laboratorio de la Faculta de Ingeniería Química realizamos el uso y manejo de diferentes equipos tales como la Caldera de Vapor, Equipo Intercambiador de Calor y Reactor Termico y realizamos sus respectivos cálculos: Calculo de datos del Intercambiador de Calor: N° TIEMPO(S) TEMPERATURA(°C)
Temp de H2O salida
71.6 °C
1
30
17.6
85 °C
2
60
23
Temp de vapor Temperatura de agua fría
3
120
32
4
180
36.7
5
240
41.6
6
300
40.4
7
360
44
8
420
44.1
9
480
45
10
540
47
11
600
48
12
3600
85
16 °C
TIEMPO(S) VOLUMEN(lit) CAUDAL (lit/s) 28.2
7
0.24822695
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS
TIEMPO VS TEMPERATURA 100 90 80 70
A R 60 U T A R 50 E P M 40 E T
Series1 Linear (Series1)
30 20 10 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
TIEMPO
Cálculo de datos de Reactor Térmico: N°
TIEMPO(S)
TEMPERATURA(°C)
VOLUMEN
10 L
1
0
16.5
5 PSL
2
120
40.5
PRESION Temperatura de agua fría
3
180
57.3
4
240
68.9
5
300
80.1
6
360
87.1
16.5
TIEMPO(S) VOLUMEN(mlit) 6
0.01
TIEMPO VS TEMPERATURA 100 90 80 A 70 R U 60 T A R 50 E P M 40 E T 30
Series1 Linear (Series1)
20 10 0 0
50
100
150
200 TIEMPO
250
300
350
400
FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS I V.-CONCLUSI ONE S: o
o
o
El diseño térmico de los intercambiadores es un área en donde tienen numerosas aplicaciones los principios de transferencia de calor. El diseño real de un intercambiador de calor es un problema mucho más complicado que el análisis de la transferencia de calor p orque en la selección del diseño final juegan un pap el muy importante lo s costos, el peso, el tamaño y las condiciones económicas. El presente informe se presentó para ver como realizamos los diferentes cálculos del curso de Termodinámica y depaso hacer el uso y manejo de los equipos.
V.-RE COME NDACIONES: -
-
Recomendamos que nos faciliten los laboratorios de Química para realizar más prácticas en el presente laboratorio por que aprendimos como manejar los diferentes equipos que pudimos manejar. Recomendamos que todos los compañeros utilicen sus propio EPP por que en algunos casos puede ocurrir algún problema con el manejo de los diferentes equipos.
V I . -B I B L I OG R A F I A Y WE B G R A F I A : Intercambiadores de Calor. Descripcion de Calderas de Vapor y Generadores de Vapor. Mantenimiento de Calderas de Vapor. Concepto y Uso de un Reactor Enchaquetado. 445_Cienciograma.
