ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y CIENCIAS DE LA PRODUCCIÓN TEMA: INFORME DE VISITA AL LABORATORIO DE TERMOFLUIDOS MATERIA: INTRODUCCION A LA INGENERIA MECANICA NOMBRE: REINOSO TIGRE JOSE ISRAEL PARALELO: 1
RESUMEN En la visita realizada al laboratorio de termofluidos pudimos observar, conocer el funcionamiento de las maquinarias y la utilidad de las maquinas existentes en el laboratorio de termofluidos, igual q los distintos sistemas que existen como lo son el sistema de vapor, sistema de compresión de dos etapas y sistema de refrigeración.
OBJETIVOS
Reconocer las maquinarias que existen en el laboratorio de termofluidos Conocer la utilidad y funcionamiento de las máquinas y sistemas que existen en el laboratorio de termofluidos
INTRODUCCION CALDERA
Una caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. Según la ITC-MIE-AP01, caldera es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor. Las calderas son un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase. Además son recipientes a presión, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.
Aplicaciones
Esterilización (tindarización), es común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generan vapor para esterilizar los instrumentos médicos, también en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos así como para la elaboración de alimentos en marmitas. Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petroles pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado. Generar electricidad a través de un ciclo Rankine. Las calderas son parte fundamental de las centrales termoeléctricas.
Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado.
Tipos de caldera
Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza a través de tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida, y gran capacidad de generación. Pirotubulares: en este tipo el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente, y es atravesado por tubos por los cuales circula 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 Elementos, términos y componentes de una caldera
Agua de alimentación: Es el agua de entrada que alimenta el sistema, generalmente agua de pozo o agua de red con algún tratamiento químico como la desmineralización. Agua de condensado: Es el agua que proviene del estanque condensador y que representa la calidad del vapor. Vapor seco o sobresaturado: Vapor de óptimas condiciones. Vapor húmedo o saturado: Vapor con arrastre de espuma proveniente de una agua de alcalinidad elevada. Condensador: Sistema que permite condensar el vapor. Estanque de acumulación: Es el estanque de acumulación y distribución de vapor. Desaireador: es el sistema que expulsa los gases a la atmósfera. Purga de fondo: Evacuación de lodos y concentrado del fondo de la caldera. Purga de superficie: Evacuación de sólidos disueltos desde el nivel de agua de la caldera. Fogón u hogar: Alma de combustión del sistema. Combustible: Material que produce energía calórica al quemarse. Agua de calderas: Agua de circuito interior de la caldera cuyas características dependen de los ciclos y del agua de entrada. Ciclos de concentración: Número de veces que se concentra el agua de caldera respecto del agua de alimentación.
Alcalinidad: Nivel de salinidad expresada en ppm de CaCO 3 que confiere una concentración de iones carbonatos e hidroxilos que determina el valor de pH de funcionamiento de una caldera, generalmente desde 10,5 a 11.5. Desoxigenación: Tratamiento químico que elimina el oxígeno del agua de calderas. Incrustación: Sedimentación de sólidos con formación de núcleos cristalinos o amorfos de sulfatos, carbonatos o silicatos de magnesio que merman la eficiencia de funcionamiento de la caldera. Dispersante: Sistema químico que mantiene los sólidos des cohesionados ante un evento de incrustación. Anti incrustante: Sistema químico que permite permanecer a los sólidos incrustantes en solución. Anticorrosivo: Sistema químico que brinda protección por formación de films proyectivos ante iones corrosivos presentes en el agua. Índice de vapor /combustible: Índice de eficiencia de producción de vapor de la caldera.
SUPER CALENTADOR
Un Súper calentador es un dispositivo que se encuentra en un motor a vapor que calienta el vapor generado por la caldera nuevamente, incrementando su energía térmica y haciendo decrecer la posibilidad de condensación dentro del motor. Los súper calentadores incrementan la eficiencia del motor de vapor y han sido ampliamente adoptados actualmente. El vapor que ha sido súper calentado es conocido lógicamente como vapor súper calentado; el vapor que no ha sido calentado es conocido como vapor saturado o vapor húmedo. Los súper calentadores fueron aplicados en locomotoras de vapor a principios del siglo XX, vehículos impulsados por vapor y centrales de generación de energía. La instalación de un súper calentador tiene el efecto de reducir la cantidad de trabajo que se debe realizar para producir la misma cantidad de energía. En otras palabras, instalar un súper calentador tiene el efecto de incrementar la capacidad de la planta con el mismo flujo de vapor.
El vapor que sale de la caldera pasa por unos serpentines en el horno y es sobrecalentado a presión constante. La presión en el súper calentador no puede ser superior a la presión en la caldera, ya que si fuera superior se inyectaría vapor en la caldera. La presión máxima en la caldera viene limitada por las características del material del que está formada, normalmente acero.
TURBINA
Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbo máquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y este le entrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes. Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y estator, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de rotación. Hasta el momento, la turbina es uno de los motores más eficientes que existen (alrededor del 50%) con respecto a los motores de combustión interna y hasta algunos eléctricos. El término turbina suele aplicarse también, por ser el componente principal, al conjunto de varias turbinas conectadas a un generador para la obtención de energía eléctrica.
CONDENSADOR Es un elemento intercambiador térmico, en cual se pretende que cierto fluido que lo recorre, cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un
ventilador o con agua (esta última suele ser en circuito cerrado con torre de refrigeración, en un río o la mar).
La condensación sirve para condensar el vapor, después de realizar un trabajo termodinámico p.ej. una turbina de vapor o para condensar el vapor comprimido de un compresor de frío en un circuito frigorífico. Cabe la posibilidad de seguir enfriando ese fluido, obteniéndose líquido sub enfriado en el caso del aire acondicionado. El condensador termodinámico es utilizado muchas veces en la industria de la refrigeración, el aire acondicionado o en la industria naval y en la producción de energía eléctrica, en centrales térmicas o nucleares. Adopta diferentes formas según el fluido y el medio. En el caso de un sistema fluido/aire, está compuesto por uno tubo de diámetro constante que curva 180° cada cierta longitud y unas láminas, generalmente de aluminio, entre las que circula el aire. Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado líquido, también conocido como fase de transición. El propósito es condensar la salida (o extractor) de vapor de la turbina de vapor para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso a la caldera. Condensando el vapor del extractor de la turbina de vapor, la presión del extractor es reducida arriba de la presión atmosférica hasta debajo de la presión atmosférica, incrementando la caída de presión del vapor entre la entrada y la salida de la turbina de vapor. Esta reducción de la presión en el extractor de la turbina de vapor, genera más calor por unidad de masa de vapor entregado a la turbina de vapor, por conversión de poder mecánico.
Tipos de condensadores para centrales térmicas Según su disposición relativa con respecto de la turbina de vapor, los condensadores pueden clasificarse en:
Axiales. Están situados al mismo nivel que la turbina de vapor. Son típicos de turbina de vapor hasta 150 MW, potencias hasta las cuales el cuerpo de baja presión es de un solo flujo y escape axial. Laterales. Están situados al mismo nivel que la turbina de vapor. El cuerpo de baja presión de la turbina de vapor es de dos flujos. Inferiores. Están situados debajo de la turbina de vapor de baja presión, lo que les obliga a estar metidos en un foso y que el pedestal del grupo turbogenerador esté en una cota más elevada, encareciéndose la obra civil. Dadas las potencias de las centrales convencionales actuales, éste es el tipo de condensador más usualmente empleado. La turbina de vapor de baja tiene doble flujo, pudiendo haber además varios cuerpos. Según el número de pasos pueden ser: Un paso. Hay una única entrada y una única salida de agua en cada cuerpo del condensador. Típica en circuitos abiertos de refrigeración. Dos pasos . El agua entra y sale dos veces en el cuerpo del condensador. Según el número de cuerpos: Un cuerpo. El condensador tiene una sola carcasa. Dos cuerpos . El condensador tiene dos carcasas independientes. Esta disposición es muy útil, ya que permite funcionar sólo con medio condensador.
Tipos de condensadores para máquinas frigoríficas Los tipos de condensadores más utilizados en una máquina frigorífica son los siguientes: Tubos y aletas . Se utilizan cuando se disipa el calor a una corriente de aire. De placas. Se utilizan cuando se disipa el calor a una corriente de agua es: Condensador (termodinámica)
INTERCAMBIADOR DE CALOR
Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico. Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.
Clasificación de los intercambiadores de calor de superficie Los intercambiadores de flujos paralelos, son generalmente utilizados en el intercambio térmico líquido-líquido, mientras que los de flujos cruzados se utilizan generalmente en el intercambio líquido-gas. Cambiadores de calor tubulares El cambiador indirecto más simple es el cambiador de tubos concéntricos; consta de dos tuberías concéntricas, una en el interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio anular y por la tubería interior. Los flujos pueden ser en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente). Transmisión de calor por conducción La conducción es la forma en que tiene lugar la transferencia de energía a escala molecular. Cuando las moléculas absorben energía térmica vibran sin desplazarse, aumentando la amplitud de la vibración conforme aumenta el nivel de energía. Esta vibración se transmite de unas moléculas a otras sin que tenga lugar movimiento alguno de traslación. En la transmisión de calor por conducción no hay movimiento de materia. La conducción es el método más habitual de transmisión de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de materiales sólidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un cuerpo, tendrá lugar una transmisión de calor desde la zona de alta temperatura hacia la que está a temperatura más baja. El flujo de calor será proporcional al gradiente de temperatura. Transmisión de calor por convección Cuando un fluido circula alrededor de un sólido, por ejemplo por el interior de una tubería, existiendo una diferencia de temperatura entre ambos tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisión de calor se debe al mecanismo de convección. El calentamiento y enfriamiento de gases y líquidos son los ejemplos más habituales de transmisión de calor por convección. Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos: forzada y libre (también llamada natural). La convección forzada implica el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador, para provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.
TORRE DE ENFRIAMIENTO Las Torres de enfriamiento son estructuras para refrigerar agua y otros medios a temperaturas muy altas. El uso principal de grandes torres de refrigeración industriales
es el de rebajar la temperatura del agua de refrigeración utilizada en plantas de energía, refinerías de petróleo, plantas petroquímicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales.
Con relación al mecanismo utilizado para la transferencia de calor los principales tipos son:
torres de refrigeración húmedas funcionan por el principio de evaporación, torres de refrigeración secas funcionan por transmisión del calor a través de una superficie que separa el fluido a refrigerar del aire ambiente.
En una torre de refrigeración húmeda el agua caliente puede ser enfriada a una temperatura inferior a la del ambiente, si el aire es relativamente seco. Con respecto al tiro del aire en la torre existen tres tipos de torres de refrigeración:
Tiro natural, que utiliza una chimenea alta. Tiro inducido, en el que el ventilador se coloca en la parte superior de la torre (impulsan el aire creando un pequeño vacío en el interior de la torre). Tiro mecánico (o tiro forzado), que utiliza la potencia de motores de ventilación para impulsar el aire a la torre (colocándose en la base).
Bajo ciertas condiciones ambientales, nubes de vapor de agua (niebla) se pueden ver que salen de una torre de refrigeración seca. Las torres de enfriamiento usan la evaporación del agua para rechazar el calor de un proceso tal como la generación de energía eléctrica. Las torres de enfriamiento varían en tamaño desde pequeñas a estructuras muy grandes que pueden sobrepasar los 220 metros de altura y 100 metros
de longitud. Torres más pequeñas son normalmente construidas en fábricas, mientras que las más grandes son construidas en el sitio donde se requieren.
LISTA DE EQUIPOS DISPONIBLES EN EL LABORATORIO DE TERMOFLUDOS
Caldera de 10 bar Super calentador con panel de control y motor Turbina de vapor de 10kw de 1 etapa Condensador de superficie Torre de enfriamiento I compuesta Intercambiador de calor con medidores de flujo Depósito de diésel Planta de tratamiento de agua con medidor Banco de prueba con motor de cuatro cilindros a gasolina Compresor de aire de 1era etapa Compresor de aire de 2da etapa Equipo de convección natural y radiación Turbina Pelton Turbina Francis Túnel subranico de viento Banco oleo hidráulico Banco de bomba Banco hidráulico Túnel supersonico de viento Equipo de aire acondicionado didáctico Equipo de flujo laminar y turbulento
SISTEMA DE VAPOR CALDERA BOMBA
SUPERCALENTADOR
LIQUIDO
PIROTUBULAR
VAPOR SATURADO VAPOR SOBRE CALENTADO
CONDENSADOR
TORRE DE
TURBINA
ENFRIAMIENTO
DE SUPERFICIE
LIQUIDO
LIQUIDO SATURADO
VAPOR SATURADO
SISTEMA DE COMPRESION ABSORVE AIRE
AIRE
COMPRESOR DE AIRE
COMPRESOR DE AIRE DE SEGUNDA ETAPA
DE PRIMERA ETAPA
ALMACENA AIRE
AIRE COMPRIMIDO
COMPRIMIDO
SITEMA DE AIRE ACONDICIONADO VAPOR INTERCAMBIADOR
CONDENSADOR
DE CALOR
ABSORVE VAPOR A BAJA PRESION
LIQUIDO A BAJA PRESION
VAPOR A ALTA PRESION
VALULA DE
INTERCAMBIADOR
EXPANSION
DE CALOR
LIQUIDO A ALTA PRESION
CONCLUSIONES El laboratorio de termo fluido de la ESPOL tiene gran cantidad de equipos, los cuales nos serán de gran utilidad a lo largo de nuestras carreras, todos estos son didácticos para facilitar el aprendizaje, además el laboratorio consta de una caldera de gran tamaño, con accesorios como el súper calentador, condensador, una sección que ayuda a medir cual aislante es mejor que ayudan a emular a una industria. Aprender a manejar estos equipos es indispensable en nuestra vida profesional, ya que posiblemente ejerzamos nuestra profesión dándoles mantenimientos a equipos, o analizando que los ciclos termodinámicos de la industria, se lleven a cabo de manera correcta
BIBLIOGRAFIA http://es.wikipedia.org/wiki/Intercambiador_de_calor http://es.wikipedia.org/wiki/Torre_de_refrigeraci%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(m%C3%A1quina) http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina http://es.wikipedia.org/wiki/Supercalentador
ANEXOS
