1. ASPECTOS GENERALES 1.1 CONCEPTOS BASICOS Caldera: Equipo térmico, que permite la producción de vapor de agua y/o agua caliente a presiones variables por intervención del quemado de un combustible.
Hay que mencionar como unidad especial: “La unidad térmica de calentamiento”, esta no trabaja con agua sino con aceite térmico el cual alcanza temperaturas elevadas (240-320) ° C, las mismas que solo se pueden alcanzar con sobrecalentamiento del vapor.
Vapor: Es el agua en su estado intermedio líquido y a una presión elevada, es la forma mas eficiente de transportar la energía en forma de presión y temperatura. ANEXO A BTU (British Thermal Unit).- Unidad térmica británica. Cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de 1 libra de agua, 1 grado Fahrenheit. Caballo de fuerza de potencia de caldera (BHP).- Potencia necesaria para convertir 34,5 libras de agua por hora a 212 °F (100 °C), en vapor a 212 °F (100 °C). Equivale a un calor cedido de 33,475 BTU/hora, que es aproximadamente igual a 140 pies cuadrados de radiación de vapor (EDR).
Caldera paquete: Es aquella caldera fabricada y ensamblada totalmente en el taller del fabricante.
Combustible: Es una sustancia capaz de reaccionar con el oxígeno en presencia de una fuente de ignición dando como resultado una combustión. Los combustibles derivados del petróleo , Son aquellos combustibles asociados al petróleo (gas natural) u obtenidos de su refinación (diesel, residuales, GLP, etc.). La escala de poder calorífico de los combustibles ,se resume en el siguiente cuadro :
Combustible Poder Calorifico Gas natural 38033.2 GLP (gas licuado de petróleo ) 97083 Kerosene (diesel 1) 127060 Diesel 2 131036 Residual N° 6 143150 R-500 152000 Factor de Conversión 1 m3-----35.314 pie3 Ejemplo Practico:
Unidad Btu/m3 Btu/Gal Btu/Gal Btu/Gal Btu/Gal Btu/Gal
CALCULO POTENCIA REAL DE CALDERO Se calculara la potencia aproximada del caldero de 150 BHP ( Nominal ) ,tomando como referencia los datos de consumo de gas reales proporcionados por planta . Consumo de gas ……………………………………………………….131 m3 / Hr. Poder calorífico del Gas Natural Seco ( Fuente OSINERG ) ………… 38033.2 BTU/m3 1077 BTU / pie3 Factor de conversión …………………………………………………..1 m3 ---- 35.314 pie3 Por tanto : 131 x 38033.2 = 4’982346 BTU / Hr Se conoce la relación de que 1 BHP es equivalente a 33475 BTU / Hr Entonces
4’982346 / 33475 = 148.83 BHP
Consideremos que este valor representa la energía entrante al caldero , deberemos afectarlo por la eficiencia promedio de 84% 148.83 x 0.84 = 125 BHP
COMO CONVERTIR HP DE CALDERA A PRODUCCIÓN REAL DE VAPOR De los datos requeridos para seleccionar una caldera, un aspecto importante a tener en cuenta es el que se refiere al flujo de vapor En el catálogo de fabricantes de calderas los rangos de producción de vapor están expresados, frecuentemente como “desde y hasta 212°F”, esto significa desde el agua de alimentación a 212°F hasta vapor a 212°F. Es necesario determinar la cantidad de vapor generado a las condiciones de operación, estos rangos dependen de la temperatura del agua de alimentación y de la presión de vapor saturado a la cual trabaja la caldera. El calculo se puede hacer usando la siguiente relación:
W
34 .5 bhp 970 .3 (hg hf )
Donde: W:
Flujo de vapor a las condiciones de operación, lb/hr
BHP:
Caballo de caldera = 33,475 BTU/HR = 34,5 lb/hr vapor desde y hasta 212°F.
Hg – hf:
Entalpía de vapor saturado y del agua de alimentación a las condiciones de operación, BTU/lb. (ver tablas de vapor).
Para un caso particular : Para una presión manométrica: 90 psig , Pabs. 105 psi → hg = 1187.8 Btu/lb Para una temperatura del agua alimentación DE 70°C → hf = 126 Btu/lb
Producción real vapor para las condiciones de operación de la caldera.
Combustión: Es la reacción de oxidación rápida de un combustible durante la cual se libera energía y se generan emisiones gaseosas y material particulado. CUADRO DE EMISIONES CONTAMINANTES DE ACUERDO AL TIPO DE COMBUSTIBLE
Fluido de trabajo: Es el fluido utilizado como medio receptor de la energía liberada por la combustión. Puede ser agua o fluidos térmicos.
Presión de operación: Es la presión a la cual opera la caldera, requerimiento del usuario.
según
Presión nominal de operación: Es la presión máxima a la cual puede operar la caldera, según especificación del fabricante.
Quemador: Es el dispositivo que se utiliza para efectuar la mezcla airecombustible y realizar la combustión.
1.2
ELEMENTOS DE UNA CALDERA Las calderas de vapor, constan básicamente de 2 partes principales: CÁMARA DE AGUA. Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unas 4” por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua. Los valores prácticos que se manejan en el diseño de calderas piro tubulares es de 5 GAL / B.H.P.
CÁMARA DE VAPOR. Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser separado del agua en suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor. Los valores de diseño son 0.33 pie3/BHP. Adicionalmente las calderas tienen dentro de su configuración gran cantidad de elementos en cuanto a operación y control. En el caso de calderas de agua caliente y de aceite térmico el interior del equipo estará siempre lleno del fluido.
En este punto ,veremos algunos cálculos sencillos para determinar los espesores mínimos requeridos para la presión de diseño en calderas piro tubulares . Supongamos que tenemos un recipiente cilíndrico que estará sometido a una presión interna en el momento de la generación de vapor , por tanto de acuerdo al código ASME , el espesor mínimo requerido en este caso estará dado por : El código ASME en su capitulo PFT correspondiente a requisitos para fabricación de calderas piro tubulares ,menciona en PFT -9 que los espesores mínimos para el casco de las calderas deberá regirse de acuerdo a la siguiente tabla : Diámetro del Casco 36” o menos De 36” a 54” De 54” a 72” De 72” a mas
Espesor mínimo ¼” 5/16” 3/8” ½”
Sin embargo, veremos rápidamente las formulas utilizadas para el cálculo de los espesores de acuerdo al diámetro del casco y la presión de diseño .
Código ASME Sección I POWER BOILERS PG-27 COMPONENTES CILÍNDRICOS BAJO PRESIÓN INTERNA 27.1. General. Las fórmulas bajo este párrafo serán utilizadas para determinar el espesor mínimo requerido o la presión de operación máxima permitida en el cuerpo cilíndrico, de acuerdo con lo estipulado en los ITEM PG-27.2.2 y PG-29.1, y para las temperaturas que no excedan los valores enumerados en la tabla PG-23.1. 27.2
Fórmula para el cálculo del espesor del cilindro horizontal
t
PR 0.8SE 0.6 P
Donde: t : Espesor mínimo del cilindro horizontal, pulgadas
P :
Presión máxima de trabajo, psi.
R :
Radio interno del cilindro, plg
S :
Esfuerzo máximo permitido, psi; usando los valores de la tabla PG-23.1 (Ver Anexos)
E :
Eficiencia de la soldadura empleada en el cilindro, consideraremos 100%
Realizaremos el calculo para el diámetro interior del casco de una caldera ,que en Este caso es de 52”. Reemplazando Valores:
P :
150 psi.
R :
26 plg
S :
13800 psi
E :
100%
150 26 0.8 13800 1.0 0.6 x150 t 0.356 p lg t
Asumimos el valor próximo superior para planchas comerciales con:
t 3 / 8" Si consideramos que el espesor de plancha utilizado en la caldera es de 3/8” podemos afirmar que cumplimos con el requerimiento de espesor mínimo requerido para una presión de 150 Psi.
PFT-14 CALCULOS PARA EL HOGAR DE LA CALDERA 14.1 La presión máxima permisible de trabajo para hogares P 51.5(300t 1.03L) / D
Donde:
t :
Espesor mínimo del hogar, plg.
D ;
Diámetro exterior del hogar ,plg
P :
Presión máxima de trabajo, psi.
Reemplazando Valores: L:
107 ½”
P :
150 psi.
D :
23 ½”
t ((150 23.5 / 51.5) (1.03 107.5)) / 300
t = 0.597 Asumimos el valor próximo superior para planchas comerciales con:
t 5 / 8" Si consideramos que el espesor de plancha utilizado en el hogar de la caldera
es de 5/8” podemos afirmar que cumplimos con el requerimiento de espesor mínimo requerido para una presión externa de 150 Psi.
PFT-9 ESPESOR DE PLACAS PORTATUBOS El espesor mínimo para las placas portatubos en calderas pirotubulares será de acuerdo a la tabla descrita en PFT 9.2.2 . por tanto para un diámetro de 52” el espesor mínimo es 7/16” . Se utilizara en la fabricación de la caldera una plancha de 5/8” de espesor que cumple ampliamente el requerimiento solicitado.
PG-39.5.3 Las conexiones roscadas para lo diferentes servicios tales como vapor, condensado, purga, etc.; Se deberán regir de acuerdo a la Tabla de la Sección I PG-39 del código ASME.
Este ejemplo es un caso particular para caldera piro tubulares con flues lisos ,para el caso de flues corrugados se toman en cuenta otras consideraciones con otro tipo de calculo
Los tipos de materiales para la fabricación de calderas , se detallan en la tablas adjuntas en los anexos respectivos ,pero dentro de las mas utilizadas podemos mencionar , en planchas
ASTM 285°C , y para tubos ASTM A178 y ASTM 192 .(Ver anexos para características físico químicas y máxima presión de trabajo permisible ) FUENTE . INGENIERIA COMERCIAL ESPECIALIZADA S.A. REQUISITOS PARA LA OPERACIÓN DE CALDEROS Para terminar con esta parte , mencionaremos algunos requisitos solicitados por el Ministerio de Trabajo ,específicamente por la Sub-dirección de Inspección de Seguridad y salud en el trabajo CALDEROS DE VAPOR a) El termino caldero de vapor se asigna a todo recipiente cerrado ,en el que para cualquier fin ,se genera vapor a una presión superior a la atmosférica (14.7 Psi) b) El termino caldero de vapor de mediana y alta presión se asigna a un caldero de vapor en el que la presión de trabajo máxima permisible es superior a 1 Kg/cm2 ( 14.7 Psi) . c) El termino caldero de vapor de baja presión , se asigna a un caldero de vapor empleado para operaciones cuya presión de trabajo no exceda de 1 Kg/cm2 (14.7 Psi) d) El termino caldero de agua caliente , se asigna a los calderos de agua caliente ,para operaciones que no excedan 10 Kg/cm2 (150 Psi), o que no excedan la temperatura de 120ºC (250ºF). e) El termino presión de trabajo se asigna a la presión manométrica ,o presión sobre la atmosférica en Kg/cm2,o Psi en la cual se opera. CONDICIONES GENERALES DE CONSTRUCCION, IDENTIFCACION, REGISTRO E INSPECCION . Los calderos de vapor , sus accesorios y aditamentos estarán proyectados de tal manera que sean adaptables a las circunstancias particulares de su uso ,y construidos de forma que presenten la suficiente solidez , y características técnicas para resistir los esfuerzos derivados de la presión , temperatura y otros a los cuales estén sometidos . 1. En las características técnicas de construcción se deberá respetar ,los factores de seguridad ,esfuerzos y dimensiones , establecidas por el código ASME ,para cada una de las partes que compone el caldero . 2. Todo caldero llevara impreso en el una placa con la especificación técnica de la presión máxima permisible de trabajo , y la fecha de construcción . 3. Todo caldero llevara fijadas en lugar visible ,las indicaciones siguientes Nombre del fabricante Numero de caldero año de construcción
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Presión máxima de trabajo Potencia en BHP Superficie de calentamiento Tipo de combustible y consumo por hora Calor generado en Btu/Hr o Cal/Hr Grosor de chapa en la carcasa ,. numero ,grosor y diámetro de tubos Dimensiones del recipiente El termino fabricante , se asigna a la persona ,o entidad a cargo del diseño y fabricación del caldero , que lo entrega en condiciones de trabajo , y que se responsabiliza por cualquier deficiencia técnica en su construcción . Todo caldero deberá contar con un libro de servicio , en el que deberá consignarse , el número de registro oficial obligatorio , las transferencias , reparaciones , limpiezas ,y accidentes sufridos por el caldero , así como todos los exámenes ,inspecciones o pruebas efectuadas por entidades oficiales o particulares .El libro de caldero acompañara al caldero por toda su existencia . Todo caldero carente de placas de identificación, y/o tenga mas de 50 años de servicios, será sometido un reconocimiento por inspectores calificados y autorizado por la dirección de industrias y electricidad ,corriéndolos gastos por cuenta del usuario. Las inspecciones a que se refiere el párrafo anterior ,se efectuaran en los siguientes casos a) Durante la construcción b) Antes de ponerse en servicio, después de la instalación , c) Antes de ponerse en servicio después de reconstrucciones o reparaciones Periódicamente ,una vez cada trece meses mientras estén en operación Todo usuario e calderas esta obligado a comunicar a la dirección de industrias y electricidad ,bajo pena de sanción ,la paralización definitiva de sus calderos en servicio; o temporal en casos de reparación o cualquier circunstancia análoga Cuando los calderos de vapor sean sometidos a pruebas hidrostáticas , la presión de prueba requerida no excederá de 1.5 veces la presión de trabajo permisible .
Finalmente mencionaremos las recomendaciones mas saltantes para la seguridad de las salas de calderas. Las dimensiones mínimas para las salas de calderas serán determinadas físicamente de acuerdo a las características de la caldera misma ,y de los equipos auxiliares que en ella se encuentren, tales como sistemas de tratamiento de agua , tanques de combustible , bombas , tanques de alimentación de agua a la caldera , etc. ,la sala de calderas debe tener los espacios necesarios para que el personal se movilice con libertad , sin problemas y en forma segura en sus labores cotidianas , así como para realizar los trabajos de mantenimiento y reparación .
Además se deberá tener en cuenta los espacios delanteros y posterior para la apertura de puertas y cambio de tubos en los trabajos de mantenimiento , y futuras ampliaciones en la sala de calderas . En el aspecto de la seguridad industrial , en las salas de calderas se deberán considerar y cumplir con las siguientes normas, para prevenir potenciales accidentes : 1. 2. 3. 4. 5.
Instalar extintores en lugares estratégicos y no moverlos de su posición . Restringir el paso de personas ajenas a la sala de calderas Mantener bolsas de arena cernida seca Mantener limpia la sala de calderas Evitar el almacenaje de papel, maderas y productos inflamables en la sala de calderas 6. Mantener libres las salidas de las salas de calderas .
1.3 CLASIFICACION DE LAS CALDERAS A) Por la disposición de los fluidos. PIROTUBULARES: En este tipo de calderas los gases de combustión circulan por el interior de los tubos y manejan presiones de operación de 0-300 PSIG. Ventajas:
Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseño.
Mayor flexibilidad de operación.
Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.
Son pequeñas y eficientes.
Inconvenientes:
Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.
No son empleables para altas presiones.
Dentro de las calderas piro tubulares diferenciamos las calderas de espalda seca y espalda húmeda CALDERAS PIROTUBULARES DE ESPALDA HUMEDA.
CALDERAS PIROTUBULARES DE ESPALDA SECA.
Detallo a continuación algunos puntos comparativos entre las calderas de espalda seca y espalda húmeda:
Generalmente la ubicación del flue en el centro del casco de una caldera de espalda seca elimina la posibilidad de acumulación de lodos entre el flue y el fondo de la caldera. El diseño de espalda seca utiliza el menor número de soldadura, cada unión soldada es de fácil acceso para su inspección. La cámara posterior de la espalda seca contiene solamente tres componentes: casco, placas y puente refractario; solo dos de ellos son partes de presión. Las calderas de espalda húmeda requieren al menos el doble de uniones soldadas. La cámara posterior de agua, tiene problemas inherentes al diseño, dentro de los cuales existen hasta 6 componentes separados sometidos a presión, conforme a su código de diseño, con juntas soldadas sujetas a fallas de soldadura y corrosión. Aún mas significativo, estos componentes deben ser apoyados y soportados contra la caldera, por pequeños ejes templadores, los cuales deben ser soldados en ambos extremos, permitiendo nuevamente posibles fugas y potencialmente costosas reparaciones, el diseño total es de tal forma rígido y no provee flexibilidad para contracción y expansión transmitiendo todo el esfuerzo a la parte delantera. El diseño de la espalda húmeda en la parte posterior hace el acceso a los tubos difícil. Una zona de tubos es ocultada por el diseño de la espalda húmeda, la otra por la caja de cenizas. El acceso a la parte posterior de la cámara de combustión es limitado por un pequeño manhole o puerta de acceso. La limpieza y reemplazo de los tubos puede hacerse solo del frente de la caldera y la placa posterior de los tubos requieren desmantelar la caja de cenizas o acceso restringido.
Estas explicaciones son netamente referenciales, con esto no se pone en tela de juicio la eficiencia de los dos tipos de calderas, los diseñadores siempre buscan los defectos en su competencia con la finalidad de resaltar las ventajas de sus productos, pero en resumen los dos modelos de caldera son altamente confiables y seguros. ANEXO B
ACUOTUBULARES: En este tipo de calderas el agua circula por el interior de los tubos y manejan presiones de operación de 0-2200 PSIG. Ventajas: Pueden ser puestas en marcha rápidamente y trabajan a 300 o mas psi. Inconvenientes: Mayor tamaño y peso, mayor costo. Debe ser alimentada con agua de gran pureza.
Según el proyecto de norma Técnica Peruana las calderas podrán ser:
Potencia
Presión manométrica
De 98 – 9810 Kw. (10 a 1000 BHP) Hasta 206,6 kPa (300 psig) para las calderas de tubos de fuego Hasta 310,3 kPa (450 psig) para las calderas de tubos de agua.
B) Por su configuración. VERTICAL
HORIZONTAL
C) Por los pases de gases de combustión. DE UN PASE
DE DOS PASES
DE TRES PASES
DE CUATRO PASES
D) Por el combustible empleado COMBUSTIBLES SÓLIDOS
COMBUSTIBLES LÍQUIDOS
COMBUSTIBLES GASEOSOS
COMBUSTIBLES ESPECIALES (bagazo, pajilla de arroz, etc.) DE RECUPERACIÓN DE CALOR DE GASES
MIXTAS ELÉCTRICAS
E) Por el tiro DE TIRO NATURAL
DE TIRO FORZADO DE TIRO INDUCIDO
F) Por el modo de gobernar la operación DE OPERACIÓN MANUAL SEMIAUTOMÁTICOS AUTOMÁTICOS
1.4 EQUIPAMIENTO BASICO Como equipos complementarios al caldero son necesarios al menos tres elementos básicos: SISTEMA DE TRATAMIENTO DE AGUA Compuesto por una columna de ablandamiento (Reactor) y un tanque de salmuera. REACTOR: El agua para calderas debe ser tratada químicamente mediante procesos de descarbonatación o ablandamiento, o desmineralización total. Adicionalmente, según la presión manejada por la caldera, es necesario controlar los sólidos suspendidos, sólidos disueltos, dureza, alcalinidad, sílice, material orgánico, gases disueltos (CO2 y O2), de no llevarse a cabo este tipo de tratamiento la caldera sufrirá problemas de incrustaciones, sedimentación, desgaste por material particulado, etc. El agua de alimentación a los calderos tiene presencia de carbonatos de calcio y magnesio, causantes de las incrustaciones en el interior de la caldera o equipos térmicos, por tanto es imprescindible eliminar o retener esos carbonatos para que el agua de alimentación al caldero este libre de carbonatos. Esa es la finalidad del reactor o ablandador de agua, el cual esta compuesto interiormente por una resina cationica especial para estos fines. La misma que realiza un intercambio iónico en el interior del reactor, de tal forma que los iones de calcio y magnesio quedan atrapados en el sistema de ablandamiento, esta resina lógicamente, tendrá un tiempo de saturación, es decir la resina perderá temporalmente su capacidad de seguir intercambiando iones con el agua de ingreso y la forma de regenerar la resina es haciendo pasar a través de la misma una salmuera preparada de sal industrial disuelta en agua en el tanque auxiliar al sistema de ablandamiento. ANEXO C Esto determina la autonomía de un ablandador, que es el tiempo entre regeneraciones. El operador deberá controlar la calidad del agua con reactivos especiales, para determinar en que momento el ablandador deja de producir agua blanda. Dentro de los probadores de dureza más utilizados encontramos los de coloración y los de jabón reactivo.
Las diferentes posiciones de trabajo de un ablandador son: Servicio, Retro-lavado, Regeneración y Enjuague. Los ablandadores de agua de acuerdo a sus funciones pueden ser manuales, semiautomáticos y automáticos. Los manuales, tal como su nombre indica, necesitan la intervención de un operador que realice movimiento de las válvulas de control para las diferentes posiciones de operación. Los semiautomáticos constan de una válvula de tres posiciones, llamada válvula multiport, la misma que realiza las diferentes posiciones de trabajo del ablandador a través de toberas internas, las cuales se aperturan y cierran de acuerdo a la posición elegida en la válvula, tienen la ventaja de que trabajan con la misma presión de agua de línea y succionan la salmuera del tanque de sal a través de sus misma válvula, sin embargo también requiere la intervención de un operador. Finalmente los automáticos, los cuales tienen un programador el cual se calibra de tal forma que de acuerdo a la autonomía del ablandador haga su ciclo de regeneración de forma automática, es decir, el operador deja preparada la salmuera para regenerar, y el ablandador de acuerdo al programa preestablecido, realiza todas las funciones de regeneración e incluso entra en servicio nuevamente de forma automática.
TANQUE DE SALMUERA: Tal como su nombre lo indica es un tanque accesorio anexo al reactor, en el cual se prepara la salmuera para el proceso de regeneración de la resina del ablandador, los tanques de sal son cerrados y herméticos para operación manual y abiertos para operación semiautomática y automática.
TANQUE DE CONDENSADO El tanque de condensado, o tanque de alimentación de agua al caldero, es el encargado de recibir el agua tratada que viene del ablandador, y posteriormente mediante un sistema de alimentación por bomba, reponer el agua que se evapora en la caldera, en este mismo tanque retorna el condensado de la planta, el mismo que continua siendo agua blanda y además con temperatura, por lo que se cierra un circuito vapor – condensado que contribuye a mejorar la eficiencia de las calderas. Los tanques de condensado se dimensionan de acuerdo a la potencia de la caldera , se adjunta anexo para selección rápida .
TANQUE DE COMBUSTIBLE Asimismo, necesitamos como equipamiento básico un tanque de combustible, para garantizar un abastecimiento continuo a la caldera, dependiendo del combustible que se seleccione para la operación de la maquina. En el caso de combustibles líquidos, se necesita un tanque cisterna, como reserva de combustible para determinada cantidad de días y un tanque diario, con un sistema auxiliar de bombeo desde el tanque cisterna al tanque diario.
Para los combustibles gaseosos, se necesitan solamente el tanque estacionario para el caso del GLP, y en determinados casos, cuando el consumo de gas es elevado, se necesita la adición de un vaporizador que garantice suministro de gas a la caldera siempre bajo las mismas condiciones. En el caso del gas natural, solamente se necesita la instalación de una ERM. Estación Reductora Medidora, la misma que regula la presión de ingreso desde la matriz de gas natural y asimismo contabiliza el consumo de gas para la facturación posterior, en este caso no es necesario la instalación de un tanque.
2.- CIRCUITOS ELECTRICOS 2.1 DEFINICIONES CONCEPTO DE CIRCUITO ELÉCTRICO Un diagrama de circuito, también conocido como red eléctrica, se construye a partir de combinaciones en serie y paralelo de dispositivos eléctricos generalmente de dos terminales, el análisis del diagrama del circuito predice el comportamiento del dispositivo real. Existen dos tipos de dispositivos, los activos constituidos por fuentes de voltaje o corriente capaces de suministrar ó controlar la energía para la red eléctrica,
y los pasivos que absorben o almacenan la energía procedente de las fuentes. En la figura podemos observar el diagrama eléctrico de una linterna de mano, está constituido por una batería, la cual es un dispositivo activo, y una lámpara incandescente la misma que se puede considerar como un dispositivo pasivo. En todo circuito eléctrico están presentes tres parámetros importantes relacionados entre sí, el voltaje, la corriente y la resistencia. En ésta sección nos interesa más establecer la relación que existe entre éstos conceptos y su aplicación práctica. La batería, como todos sabemos, es una fuente de voltaje. Al conectar la lámpara incandescente a los bornes de la batería se establece un circuito eléctrico que permite el flujo de corriente del borne negativo a la terminal positiva de la batería, a su paso a través de la lámpara, ésta presenta cierta oposición, también llamada resistencia, al flujo de la corriente manifestándose en calentamiento del filamento de la lámpara y como consecuencia de esto se produce la emisión de luz visible. La lámpara, en efecto, es una resistencia, un componente pasivo. Tenemos pues en forma manifiesta la presencia de voltaje, un flujo de corriente y una oposición a ésta llamada resistencia.
LA LEY DE OHM Como su nombre lo dice, la resistencia se opone al flujo de corriente, esto es, a mayor resistencia menor flujo de corriente suponiendo que el voltaje permanece en el mismo valor. Ésta íntima relación entre voltaje, corriente y resistencia está definida por la ley de Ohm que dice: “la corriente es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia”. Ésta afirmación la podemos expresar matemáticamente así:
En donde I es la corriente en Amperes, E es el voltaje dado en Volts, y R es el valor de la resistencia en Ohms. A partir de ésta fórmula es fácil deducir que E = IR y que R = E / I. Éstas tres fórmulas son básicas para trabajar con circuitos eléctricos y su aplicación es en realidad sencilla. POTENCIA Y ENERGÍA
El voltaje, o fem, no puede hacer trabajo alguno por sí sola, una batería produce una fem, pero si no hay una carga conectada a ella no circula corriente y no se produce trabajo alguno. Cuando conectamos una carga a la batería se produce una corriente de electrones. La corriente representa un movimiento. El producto del voltaje y el movimiento (voltios y amperios), realiza el trabajo. La unidad de medida de la velocidad con que se produce el trabajo, o unidad de medida de potencia, es el Watt abreviadamente, W. En un circuito eléctrico, una corriente de un amperio, producida por un voltio, desarrolla una potencia de un watt, de acuerdo con la fórmula P = EI en donde P es la potencia en watts, E es la fem en voltios, e I es la corriente en amperios. Podemos utilizar la ley de Ohm y reordenar la fórmula de potencia en términos de la corriente y la resistencia, por la ley de Ohm sabemos que E = IR, si sustituimos en la fórmula de la potencia E por IR obtenemos P = I²R en donde R es la resistencia en Ohms. De la misma manera, de la ley de Ohm tenemos que I = (E / R), sustituyendo I por (E / R) en la fórmula básica de la potencia podemos hacer el cálculo en términos de voltaje y resistencia: P = (E² / R). Tenemos pués tres fórmulas igualmente importantes para agregar a nuestro programa: P = EI P = I²R y P = (E² / R) En un circuito trifásico la potencia es: P =
3 EI
CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO La característica principal de un circuito conectado en serie es que por todos los elementos que componen el circuito circula la misma cantidad de corriente. Similarmente, en un circuito conectado en paralelo se establece el mismo voltaje a través de todos los elementos que lo componen, en la siguiente figura podemos ver una representación esquemática de un circuito conectado en serie (izquierda) y uno conectado en paralelo (derecha).
Como es fácil suponer, en el circuito en serie la resistencia total se obtiene sumando los valores individuales de cada resistencia. Lo que no resulta tan obvio es cómo obtenemos la resistencia total en un circuito conectado en paralelo, para comprender éste mecanismo es necesario entender primero otro concepto llamado conductancia. En un circuito eléctrico en funcionamiento debe haber siempre un voltaje y una carga que en el más elemental de los circuitos puede ser una única resistencia, de la ley de Ohm sabemos que a mayor resistencia menor es el flujo de corriente, podemos considerar a la resistencia como un conductor, puede ser un conductor muy malo ó quizás aceptable, en cualquier caso, cuanto mayor sea su capacidad de conducción, o conductancia, menor será su resistencia. Luego decimos que conductancia y resistencia se refieren a la misma cosa pero desde puntos de vista opuestos, son recíprocos entre sí: R=1/G Donde G es la conductancia expresada en Mhos. (Mho es Ohm al revés, también se utiliza el Siemens, (S). De ésta manera, en un circuito de resistencias conectadas en paralelo podemos conocer la resistencia total sumando las conductancias individuales, supongamos que tenemos dos resistencias de 10 Ohms (o sea 0.1 Mho de conductancia) conectadas en paralelo, si sumamos sus conductancias obtenemos 0.1 + 0.1 = 0.2 Mhos. Esto significa que hemos aumentado la conductancia total, luego si convertimos éste valor a su equivalente opuesto en Ohms tenemos el valor de 5 Ohms. La fórmula para calcular la resistencia total en un circuito paralelo es: Rt = (R1-1 + R2-1 + Rn-1)-1 Dicho en otras palabras, es el recíproco de la suma de los valores recíprocos de cada resistencia. Como ya se dijo, la resistencia total en un circuito en serie se obtiene simplemente sumando los valores individuales
CONTACTORES Se llama contactor a un interruptor gobernado a distancia por medio de un electroimán o bobina que vuelve a la posición de reposo cuando la fuerza de Accionamiento deja de actual sobre él. TEMPORIZADORES Temporizador es un instrumento muy necesario en el control y automatización de elementos eléctricos. Sirve para poder controlar, accionar o desconectar partes de un circuito en un tiempo determinado por nosotros.
Ante la amplia gama de temporizadores señalaremos los más usuales, todos tiene uno o dos contactos conmutados y su gama de temporización varia desde 0,05 s hasta 10 h. ELEMENTOS DE MANIOBRA Y SEÑALIZACIÓN Son los materiales necesarios para una correcta maniobrabilidad y señalización de instalaciones. Citamos varios tipos de materiales:
Pulsadores. Abiertos, cerrados, con retención.
Pulsadores luminosos. Abiertos, cerrados, con retención.
Conmutadores giratorios. Dos posiciones, tres posiciones, con llave.
Pulsadores multifunción. Abierto-cerrado, abierto-cerrado-abierto, posibilidad de ampliación de contactos a 2º nivel.
Pulsadores multifunción luminosos. Abierto-cerrado + piloto.
Pulsadores de emergencia. Desbloqueo por rotación, desbloqueo por rotación de llave.
Botoneras. Espacio físico donde montar los anteriores elementos. Vertical (dobles, triples), horizontal (dobles, triples).
Finales de carrera. Elementos accionados por presión de cualquier parte móvil. En la parte externa, la zona de presión (a presionar), puede tener diversos elementos factibles a la presión (bastago, frontal, rodamiento, etc.) que accionarían el o los contactos interiores.
RELES El relé o relevador (del inglés "relay") es un dispositivo electromecánico, que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. Ya que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, una forma de amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores", de ahí "relé".
Los contactos de un relé pueden ser Normalmente Abiertos (NO, por sus siglas en inglés), Normalmente Cerrados (NC) o de conmutación. Los contactos Normalmente Abiertos conectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se desconecta cuando el relé está inactivo. Este tipo de contactos son ideales para aplicaciones en las que se requiere conmutar fuentes de poder de alta intensidad para dispositivos remotos. Los contactos Normalmente Cerrados desconectan el circuito cuando el relé es activado; el circuito se conecta cuando el relé está inactivo. Estos contactos se utilizan para aplicaciones en las que se requiere que el circuito permanezca cerrado hasta que el relé sea activado. Los contactos de conmutación controlan dos circuitos: un contacto Normalmente Abierto y uno Normalmente Cerrado con una terminal común.
Ventajas del uso de relés:
La gran ventaja de los relés es la completa separación eléctrica entre la corriente de accionamiento (la que circula por la bobina del electroimán) y los circuitos controlados por los contactos, lo que hace que se puedan manejar altos voltajes o elevadas potencias con pequeñas tensiones de control. Posibilidad de control de un dispositivo a distancia mediante el uso de pequeñas señales de control. Con una sola señal de control, se pueden controlar varios relés a la vez y por tanto distintos elementos.
TRANSFORMADOR Se denomina transformador a una máquina electromagnética que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc. Si suponemos un equipo ideal y consideramos, simplificando, la potencia como el producto del voltaje o tensión por la intensidad, ésta debe permanecer constante (ya que la potencia a la entrada tiene que ser igual a la potencia a la salida). Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la tensión alta o baja, respectivamente. También existen transformadores con más devanados, en este caso puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.
Transformador de aislamiento. Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1. Se utiliza principalmente, como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red. También para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en equipos de electromedicina y circuitos de control que incluyan elementos sensibles, sobre todo del tipo electrónico, allí donde se necesitan tensiones flotantes entre sí.
Autotransformador Principio de funcionamiento: El autotransformador puede ser considerado simultáneamente como un caso particular del transformador o del bobinado con núcleo de hierro. Tiene un solo bobinado arrollado sobre el núcleo, porque el primario y el secundario están conectados en serie ,constituyendo un bobinado único, En la práctica se emplean los autotransformadores en algunos casos en los que presenta ventajas económicas, por su menor costo debido a su peso por ello se emplean habitualmente para convertir 220 a120 v .y viceversa , pero tiene el inconveniente de no aislar el sistema entre el primario y el secundario .
