PRACTICA N° 1 GENERADOR DE VAPOR VAPOR
1. OBJETIVO. a) De Descr scripc ipción ión de las partes partes constitu constituye yente ntess de los dos dos gener generado adores res de vapor instalados en el Laboratorio de !"uinas T#r$icas %arca &layton EO'(( y Luaut). b) Operar a$bos generadores generadores de vapor. vapor. c) &alculo &alculo de la capacid capacidad* ad* e+icienc e+iciencia ia de una caldera caldera y gastos gastos de co$bus co$bustible tible y de vapor. d) ,. I-T I-TOD OD/& /&&I &I00-.. En nuestra #poca $oderna el vapor de agua se utilia +recuente$ente para calenta$iento en procesos industriales o para producir traba2o %Turbinas de vapor). (. 3E-E 3E-E4 4LI LID4 D4DE DE5. 5. /n generador de vapor es una instalación electro$ec!nica utiliada para trans+or$ar l6"uidos en vapor. vapor. Los co$ponentes principales son7 8 &aldera'Interca$biador de energ6a* "ue trans$ite el calor producto de la co$bustión al +luido* co$9n$ente agua* contenida dentro de un deposito a presión para obtener vapor. La trans+erencia de calor se realia a trav#s de una super+icie lla$ada de cale+acción +or$ada por paredes y banco de tubos. La super+icie de cale+acción es el !rea de una caldera "ue por un lado est! en contacto con los gases y re+ractarios calientes y por el otro* con el agua se desea calentar y evaporar: se $ide por a cara de $ayor te$peratura. 1 ;orno' ;orno'Lug Lugar ar don donde de se reali realiaa la co$bus co$bustió tión: n: gen genera eral$e l$ente nte se encuen encuentra tra +or$ado por paredes de re+ractario y banco de tubos por los "ue circula agua y vapor. ,
Ventiladores' Ventiladores' Tiro +orado: introducen aire al =orno: tiro inducido: e?traen los gases calientes del =orno despu#s de la co$bustión. @ Bo$ba de agua de ali$entación' Incre$enta la presión del agua para introducirlo a la caldera. A 5obrecale 5obrecalentad ntador'&a$ or'&a$biado biadorr de calor* calor* en el "ue se da el sobrecale sobrecalenta$i nta$iento ento deseado al vapor.
&alentador de aire' &a$biador de calor donde los gases producto de la co$bustión* despu#s de =aber cedido parte de la energ6a a la caldera calientan el aire para =acer $!s e+iciente la co$bustión. C Econo$iador' &a$biador de calor donde los gases de la co$bustión trans$iten otra parte de su energ6a energ6a au$entando la te$peratura te$peratura del agua de ali$entación ali$entación "ue se ali$enta a la caldera* $e2orando la e+iciencia del generador. recalentador de co$bustible' &uando se "ue$a co$bustóleo o aceite co$bustible se dis$inuya la viscosidad por $edio de un calenta$iento previo al "ue$ador: se usa un serpent6n de vapor o de una resistencia el#ctrica. En la +igura 1 se $uestra el diagra$a de +lu2o de aire* co$bustible y agua* as6 co$o de los los gase gasess de la co$b co$bus usti tión ón a trav trav#s #s de los los ele$ ele$en ento toss ante antess $enc $encio iona nado dos* s* y la disposición de unos respecto a otros. >. &L45IF &L45IFI&4 I&4&I0 &I0- DE L45 &4LDE &4LDE45. 45. Las calderas pueden clasi+icarse de la siguiente +or$a7 a) or la posic posición ión de los los gases gases calien calientes* tes* el el agua y el vapor vapor Tubos Tubos de =u$o %pirotubulares)'3ases dentro de los tubos Tubos Tubos de agua %acuotubulares)'4gua dentro de los tubos b) or la posición de los tubos* puede puede ser de7 Tubos verticales Tubos =oriontales Tubos inclinados c) or la +or$ +or$aa de los tubos* tubos* son de 7 Tubos rectos Tubos curvos d) Dep Depen endie diendo ndo del del tipo tipo de de tiro tiro Tiro +orado'&uando solo tiene ventilador de tiro +orado. Tiro inducido'&uando inducido'&uando solo tiene ventilador de tiro inducido. Tiro balanceado'&on balanceado'&on ventilador de tiro inducido y +orado. Tiro natural'5in ventiladores.
&alentador de aire' &a$biador de calor donde los gases producto de la co$bustión* despu#s de =aber cedido parte de la energ6a a la caldera calientan el aire para =acer $!s e+iciente la co$bustión. C Econo$iador' &a$biador de calor donde los gases de la co$bustión trans$iten otra parte de su energ6a energ6a au$entando la te$peratura te$peratura del agua de ali$entación ali$entación "ue se ali$enta a la caldera* $e2orando la e+iciencia del generador. recalentador de co$bustible' &uando se "ue$a co$bustóleo o aceite co$bustible se dis$inuya la viscosidad por $edio de un calenta$iento previo al "ue$ador: se usa un serpent6n de vapor o de una resistencia el#ctrica. En la +igura 1 se $uestra el diagra$a de +lu2o de aire* co$bustible y agua* as6 co$o de los los gase gasess de la co$b co$bus usti tión ón a trav trav#s #s de los los ele$ ele$en ento toss ante antess $enc $encio iona nado dos* s* y la disposición de unos respecto a otros. >. &L45IF &L45IFI&4 I&4&I0 &I0- DE L45 &4LDE &4LDE45. 45. Las calderas pueden clasi+icarse de la siguiente +or$a7 a) or la posic posición ión de los los gases gases calien calientes* tes* el el agua y el vapor vapor Tubos Tubos de =u$o %pirotubulares)'3ases dentro de los tubos Tubos Tubos de agua %acuotubulares)'4gua dentro de los tubos b) or la posición de los tubos* puede puede ser de7 Tubos verticales Tubos =oriontales Tubos inclinados c) or la +or$ +or$aa de los tubos* tubos* son de 7 Tubos rectos Tubos curvos d) Dep Depen endie diendo ndo del del tipo tipo de de tiro tiro Tiro +orado'&uando solo tiene ventilador de tiro +orado. Tiro inducido'&uando inducido'&uando solo tiene ventilador de tiro inducido. Tiro balanceado'&on balanceado'&on ventilador de tiro inducido y +orado. Tiro natural'5in ventiladores.
@. &4LDE4 &4LDE4 T/BO5 T/BO5 DE 43/4 43/4 %4&4 %4&4 &L4 &L4G GTO- ODELO ODELO EO'((). EO'((). &aldera tipo pa"uete de tubos de agua* serpent6n de calenta$iento $ono tubular en +or$a de espiral de tiro +orado. + orado. El agua es bo$beada directa$ente al serpent6n de calenta$iento en dirección contraria a la de los gases de la co$bustión. 4l salir de la sección espiral generadora* el l6"uido o vapor +luye a trav#s de un tubo ter$ost!tico circular de donde es enviado a la bo"uilla separadora de vapor. El generador de vapor &layton su$inistra vapor de H de calidad de vapor a su capacidad no$inal no$inal su respuesta respuesta es r!pida* proporciona proporciona vapor a los cinco $inutos $inutos del arran"ue en +rio. El generador tiene dispositivos de seguridad para protección contra +alta de agua* +allas del "ue$ador* presión e?cesiva y sobre carga el#ctrica. &ontroles auto$!ticos regulan la entrada de agua de ali$entación y suspenden e inician la Operación del "ue$ador de acuerdo a la de$anda del vapor.
3E-E4DO DE V4O V4O &L4GTO-. &L4GTO-. @.1 5I5TE4 DE 4LIE-T 4LIE-T4&I04&I0- DE &OB/5TIBLE. 5e dispone de un tan"ue de gran capacidad donde se recibe aceite di#sel* de este tan"ue se su$inistra el co$bustible a dos tan"ues de uso diario de ,88 litros cada uno* y de estos se su$inistra el co$bustible a la bo$ba del generador. generador. 5u +unciona$iento es el siguiente7 la bo$ba de ali$entación de co$bustible es de engranes* la presión $!?i$a del co$bustible est! controlada por un regulador a2ustable de presión situado en la bo$ba de co$bustible. &on la v!lvula de control del "ue$ador abierta %+ig.() todo el co$bustible derivado y retornado =acia el tan"ue del co$bustible y de la presión del co$bustible es $6ni$a. &errando la v!lvula de control del "ue$ador la presió presiónn del co$bus co$bustib tible le au$ent au$entar! ar! y accion accionara ara los contr controle oless para para encen encende derr el "ue$ador. Despu#s del arran"ue $anual la operación es co$pleta$ente auto$!tica y todos los controles est!n arreglados para proveer un paro por seguridad. La +alla de
+la$a originar! interrupción auto$!tica apro?i$ada$ente 1, segundos despu#s de dic=a +alla.
or otra parte en caso de +alta de agua el control del ter$ostato parar! el "ue$ador y pondr! a salvo la unidad de calenta$iento %serpent6n). El tubo del ter$ostato +or$a parte del serpent6n de calenta$iento y est! situado en la ona de alta te$peratura. El tubo en +or$a de c6rculo co$pleto esta r6gida$ente asegurado a un arillo $ec!nico e?terior %+ig. >) en un punto dia$etral$ente opuesto al interruptor del ter$ostato. 4 $edida "ue el tubo se e?pande ad"uiere una posición e?c#ntrica en relación al arillo e?terior* esto origina una e?pansión considerable en la l6nea con el control del ter$ostato y provee un control directo del "ue$ador. El interruptor del ter$ostato est! a2ustado para suspender la operación del "ue$ador cuando la e?pansión e?ceda los l6$ites nor$ales.
El aire "ue entra a la voluta del "ue$ador procedente del ventilador es dirigido centr6+uga$ente a alta velocidad =acia el $9ltiple del "ue$ador* a=6 se $ecla con el co$bustible ato$iado por las bo"uillas del "ue$ador. El co$bustible es encendido auto$!tica$ente por una c=ispa el#ctrica de alta potencia. /na celda +otoel#ctrica est! colocada ba2o el "ue$ador para detectar la presencia de +la$a y $antener la seguridad en la operación del "ue$ador.
@., 5I5TE4 DE 4LIE-T4&I0- DE 43/4. En la +igura @ se $uestra el arreglo de siste$a de agua* para el generador de vapor &L4GTO-. El suaviador recibe agua dela red %dura)* y en #l se le da un trata$iento en base a sal$uera para dis$ineriarla* "uitarle la sales $inerales %g* &a* etc.)* de este se $anda al tan"ue de condensados en el cual se inyecta un co$puesto "u6$ico para "ue el agua tenga el p; adecuado.
&uando el agua est! co$pleta$ente tratada %des$ineraliada y con el p; adecuado) se $anda a las bo$bas de ali$entación por $edio de la bo$ba de re+uero* la bo$ba de re+uero introduce el agua a presión del serpent6n de calenta$iento* donde el agua se trans+or$a en vapor y se $andara a servicio. @.( OE4&I0&uando la presión de vapor se eleva y alcana el punto de a2uste del interruptor $odulador de presión* cerrara la v!lvula de aceite para +uego alto y el generador operara $edio +uego %+ig.() 4l $is$o tie$po la co$puerta de aire variar! auto$!tica$ente su posición para reducir la cantidad de aire "ue entra al "ue$ador %la co$puerta de aire est! controlada por una v!lvula solenoide de aire a trav#s del interruptor $odulador de presión). La v!lvula de derivación de agua abrir! y derivara el agua bo$beada por una de las cabeas de la bo$ba para reducir apro?i$ada$ente a la $itad del volu$en de agua "ue entrara al serpent6n. 5i la de$anda de vapor* la presión continuar! elev!ndose =asta alcanar el punto de a2uste del interruptor de presión de vapor y cerrando la v!lvula de aceite para +uego ba2o. El circuito del $otor se interru$pir! y parar! la bo$ba y al ventilador. &uando la de$anda de vapor au$enta* el descenso de la presión =ar! "ue vuelva a cerrar el interruptor de presión de vapor* poniendo en operación al $otor y por tanto a la boba y al ventilador* y ta$bi#n abrir! la v!lvula de aceite para +uego ba2o. 5i la presión continua ba2ando* el interruptor $odulador de presión abrir! la v!lvula de aceite para +uego alto y colocar! la co$puerta de aire a capacidad total. La v!lvula de derivación de agua cerrar! para per$itir el bo$beo de agua a plena capacidad =acia el serpent6n de calenta$iento.
A'I-5T/&&IO-E5 44 O-E E- 4&;4. 1)
4bra la v!lvula de abasteci$iento de agua del tan"ue de
condensados. ,) 4bra la v!lvula situada entre la tra$pa de vapor y el tan"ue de condensados. () &ierre la v!lvula de descarga de %B)* la v!lvula de drene del serpent6n %3) y la v!lvula sopladora de =oll6n %4)* cierre los gri+os de la base de la bo$ba. >)
4bra la v!lvula de control del serpent6n %J) y la v!lvula de entrada
de agua de ali$entación %D) y la v!lvula de la tra$pa de vapor. @) 4bra total$ente la v!lvula de control del "ue$ador de esta +or$a el co$bustible ser! derivado y evitar! la operación del "ue$ador durante el arran"ue inicial. A) 4l arrancar inicial$ente* presione el interruptor del ter$ostato %;). )
&olocar el interruptor $anual para +uego ba2o en la posición de
4LTO'B4JO 4/TO4TI&O. En las unidades co$binadas gas'aceite* colo"ue el interruptor aceite y el interruptor operación llenado en posición llenado. 4) 4seg9rese "ue las l6neas de abasteci$iento de co$bustible est#n abiertas y "ue el co$bustible este circulando a trav#s del siste$a. 5i operan sin co$bustible se rayar! de in$ediato. B) &ebar el cabeal de la bo$ba del agua de ali$entación %E) para e?pulsar el aire. &erciorarse de "ue la bo$ba co$pleta$ente cebada estrangulando la v!lvula de ali$entación del serpent6n %J) despu#s de esta prueba* si la bo$ba est! cebada* contin9e la operación. A. D4TO5 TE&-I&O5. La instalación "ue se encuentra en el laboratorio es un generador de vapor de tubos de agua vertical de tiro +orado con capacidad no$inal de (( c. c. El p= adecuado del agua debe ser de 18 y co$o $!?i$o 11.@* para evitar incrustación el agua de ali$entación nunca debe tener $!s de un grano por galón o 1.1 p. p. $. Vaporiación e"uivalente
@1C gK=r
resión de operación de vapor resión nor$al de co$bustible &onsu$o de co$bustible 5uper+icie de cale+acción
( a gKc$, ,8.> gKc$, (.@ lK=r .,$,
. &4LDE45 T/BO5 DE ;/O %4&4 L/M4/T). DE5&I&I0- 3E-E4L. &aracter6sticas7 La caldera Luaut es una caldera tipo escoces $arina =oriontal de tubos de =u$o* tiro +orado donde el agua est! contenida dentro de un ta$bor* atravesando a?ial$ente por tubos* por los cuales circulan los gases calientes "ue evaporan el agua* lo cual se $uestra en la +igura A.
C.1) Dos pasos. &onsiste en "ue el arreglo entre espe2os y tuber6a +lu? es tal +or$a "ue los gases de la co$bustión recorren dos veces la longitud de la caldera antes de ser descargados a la at$os+era. C.,) Fogón corrugado. El corrugado es con el ob2eto de darle una $ayor resistencia $ec!nica y una caracter6stica de a$ortigua$iento de las contracciones o elongaciones causadas por las distintas te$peraturas a las cuales est! e?puesto el +ogón. . &O-5T/&&I0-. ;oriontal* tubos de +uego Dos pasos &!$ara de co$bustión corrugada 5oldadura 188H radiogra+iada 4isla$iento +ibra de vidrio de @1 $ d espesor 18 D4TO5 TN&-I&O5. &aballos de +uera vapor',8 5up. De cale+acción .>$, resión de traba2o 18.@ gKc$, 11 &O-TOLE5 G &OO-E-TE5
11.1) &ontrol progra$ador. Establece la secuencia y coordinación de cada una de las etapas de operación del "ue$ador y caldera general. 11.,) Fotocelda. Detecta la radiación ultravioleta e$itida por la +la$a en la c!$ara de co$bustión la cual a +alla de +la$a* $anda seal al control progra$ador para detener la entrada de co$bustible y parar la caldera. 11.() Trans+or$ador de Ignición. Incre$enta el volta2e =asta 18*888 volts: necesarios para la ignición. 11.>) Electrodo de Ignición. roduce la c=ispa para la ignición. 11.@) &ontrol de nivel de agua Pc DonnellQ. Es el control de la bo$ba e interruptor de ba2o nivel* esta provista de un $ecanis$o +lotador "ue responde a las
de$andas de agua de la caldera. 5us +unciones +unda$entales son7 $andar una seal para detener la operación de la caldera cuando el nivel de agua se encuentre por aba2o del l6$ite per$isible y la otra +unción es la de arrancar y papara la bo$ba de ali$entación de agua de acuerdo a la de$anda de vapor ver +igura .
11.A) &ontrol de presión PresuretroQ. 5u ob2etivo es el de $antener una presión e?istente dentro de la caldera y de acuerdo a esta $anda una seal parar o arrancar la caldera.
11.) V!lvulas de seguridad. Estas v!lvulas est!n calibradas para abrir una presión deter$inada y evitar sobre presión en la caldera. Figura .
11.C) Tapón +usible de seguridad PtortugaQ. Opera en caso de +alla de las v!lvulas de seguridad* son tapas unidas a la envolvente e?terior de la caldera "ue ceden cuando la presión en el interior es $uy elevada* estas tapas son soldadas y una soldadura se calcula para resistir deter$inada presión. /n caparaón $et!lico unida +uerte$ente a la tapa y evita "ue la tapa salga disparada en caso de operación de la v!lvula. .
4ntigua$ente la capacidad de la calderas se deter$inaba en c.c %B;'Boiler ;orse oRer)* y se de+ine co$o la cantidad de energ6a necesaria para evaporar [email protected]
gK=r a 188S& a una presión de 1.8(( gKc$ ,: en tales condiciones la entalpia de evaporiación es de h fg @>(.> calKg* por lo "ue un caballo caldera es e"uivalente a [email protected] gK=r U @>(.> calKg* es decir: c.c C@18 calK=r ara calderas pe"ueas el c.c se asoció con la super+icie de cale+acción c.c 8.( $, De las de+iniciones anteriores se puede decir "ue un c.c e"uivale a trans$itir C@18 calK=r por cada 8.( $ , de super+icie de cale+acción. &apacidad nor$a de la carga' 5e utilia para especi+icar la potencia en calderas pe"ueas. CN =
Superficie de calefaccion ( m 2
0.93 m
c
2
) ¿ .decalef . c.c = 0.93
.c
G co$o un c.c C@18 calKg CN =
CN =
¿ . decalef . 0.93
¿ . decalef . 0.93
c. c
8510 kcal / hr
c .c
c . c 8510 kcal / hr
&apacidad real. &o$o una caldera puede tener su super+icie de cale+acción $e2or dispuesta "ue otra y por consecuencia* $!s capacidad en condiciones de traba2o si$ilares* es decir* es posible trans$itir $!s de C@18 calK=r por cada $ , de super+icie de cale+acción* el e?ceso "ueda de+inido por el +actor de sobrecarga F5. La capacidad real esta da por7 & &- U F5 3asto de vapor' El gasto de vapor proporcionado por la caldera no se puede $edir directa$ente* pero se puede calcular con la siguiente ecuación7 GV =CR ( h2−h1 )
Donde
h2 'Entalpia del vapor en la descarga de la caldera. h1
'Entalp6a del l6"uido a la entrada de la caldera* co$o el vapor a la salida h2 se calcula con la siguiente ecuación7
del generador es vapor =9$edo la entalp6a h2 h f + x h fg
McalKg
Vaporiación e"uivalente'Es la relación entre la energ6a total absorbida por el agua de ali$entación de la caldera y la energ6a necesaria para evaporar un g de agua a 188S& y p 1.8(( gKc$ ,* es decir7 VE=
GV ( h2− h 1) 543.4
…………
kg hr
Donde @>(.> calKg es la entalp6a de vaporiación a p1.88(( gKc$ ,
Factor de vaporiación'Es la relación entre la energ6a absorbida por un g de agua de ali$entación en las condiciones reinantes en la caldera* y la energ6a necesaria para evaporar un g de agua a 188S& y p 1.8(( gKc$ ,* es decir7
FV =
( h −h ) 2
1
543.4
E+iciencia de caldera'5e de+ine co$o la relación del calor
Q a "ue se
aprovec=a* %es decir* el calor "ue absorbe el +luido desde "ue entra co$o +luido =asta "ue sale co$o vapor)* entre el calor su$inistrado del co$bustible en el "ue$ador.
η=
Qa Qs
∗100
Qs por la co$bustión %o?idación)
Donde. Qs 3& U &5
calK=r
3&'3asto de co$bustible gK=r &5'oder calor6+ico superior del co$bustible calKg h −h Donde. Qa 3V ) ¿ 2
1
calK=r
h2 'Entalpia del vapor a la salida calKg h1 'Entalpia del agua de ali$entación a la caldera calKg
ara el generador de vapor &layton E8'(( el gasto de co$bustible $!?i$o es de (.@ lK=r* y la densidad del di#sel es de CC( gK$ (
1( T4BL4 DE LE&T/45 Lectura 1
resión del vapor gKc$
Te$peratura de agua de
(.C1
ali$entación & 1CS&
1> T4BL4 DE E5/LT4DO5 Lectura 1
3V
3&
gK=r
gK=r
(>.A,
1.8>
VE
gK=r ,((.(
FV
8.8
η
C@
Qa
Qs
calK=r calK=r ,1C.( 1C.(
&O-&L/5IO-E5 El generador de vapor se trata de una instalación electro$ec!nica donde el agua se trans+or$a a vapor.
La caldera* co$ponente del generador* es el "ue se encarga de trans$itir el calor "ue se produce por la co$bustión del agua* esta se encuentra dentro de un depósito de presión y as6 es co$o se obtiene el vapor. En la caldera usada en la pr!ctica est! contenida dentro de un ta$bor* atravesada a?ial$ente por tubos donde circulan el gas caliente por la evaporiación del agua. La capacidad de la caldera es la cantidad de energ6a dependiente de la presión y te$peratura y entalpia para llegar a la vaporiación. La e+iciencia de la calera no llego al 188H debido al tie$po de uso* por lo "ue los valores de la lectura ta$bi#n pudieron su+rir alteraciones. El co$bustible e$pleado en la caldera es di#sel* el proble$a este tipo de co$bustible no es $uy barato* por lo "ue el tie$po para desarrollar la pr!ctica +ue largo. La bo$ba de ali$entación de co$bustible es de dos engranes* su presión est! controlada por un regulador a2ustable de presiona situado en la bo$ba de co$bustible* es $uy i$portante $antener controlada cada presión para evitar accidentes. El co$bustible es encendido auto$!tica$ente por una c=ispa el#ctrica* esta debe ser de alta potencia. El control de p= ta$bi#n es $uy i$portante para la caldera* su control prev# proble$as de corrosión* el p= debe ser ba2o.
&/E5TIO-4IO. 1. encione las di+icultades "ue se presentaron en la pr!ctica.
La dificultad que se presentó en la prctica fue el tie!p" que tard" en encender la caldera# en $eneral c"nta!"s c"n l"s recurs"s % &uena ases"r'a( ,. enciones los accesorios "ue =ay en la instalación.
Ventilad"r# !irilla % f"t"celda# que!ad"r inte$ral# c)i!enea# tu&"s de )u!"# "re*as de le+ante# &"!&a de c"!&usti&le# !"t"r el,ctric" . (. &u!l es la 5ecretar6a "ue contiene el regla$ento "ue =abla de calderasW
La secretaria del tra&a*" % pre+isión s"cial(
>. encione los cuidados "ue se deben de tener al encontrar y operar una caldera.
T"!ar en c"nsideración el tie!p" para )acer las !edidas# c"ntr"lar la presión % te!peratura( Operar la caldera &a*" super+isión % c"n a%uda del pr"fes"r( @.
La caldera tiene +ari"s a-"s en us" p"r l" que su eficiencia %a n" es la !is!a# % p"r l" tant" se $eneran alteraci"nes en la !edición % pr"+"ca al$unas fu$as(
1 BIBLIO34FX4 =ttp7KK1C.1>1.C1.,1,KbibliotecaK4
PRACTICA N° . RELACI/N ENTRE PRE0I/N TE2PERAT3RA DEL VAPOR DE AG3A
O45ETIVO Investigar la relación entre te$peratura y presión de agua
INTROD3CCION El vapor de agua es el gas +or$ado cuando el agua pasa de un estado l6"uido a uno gaseoso. 4 un nivel $olecular esto es cuando las $ol#culas de ; ,O logran liberarse de las uniones %e2. /niones de =idrógeno) "ue las $antienen 2untas. 5i es agua es calentada $!s por sobre su punto de ebullición* esta se convierte en vapor* o agua en estado gaseoso. 5in e$bargo* no todo el vapor es el $is$o. Las propiedades del vapor var6an de gran +or$a dependiendo de la presión y la te$peratura la cual est! su2eto.
elación resión'Te$peratura del 4gua y Vapor
Los resultados del vapor saturado %seco) cuando el agua es calentada al punto de ebullición %calor sensible) y despu#s evaporada con calor adicional %calor latente). 5i este vapor es posterior$ente calentado por arriba del punto de saturación* se convierte en vapor sobrecalentado %calor sensible). Vapor 5aturado &o$o se indica en la l6nea negra en la parte superior de la gra+ica* el vapor saturado se presenta a presiones y te$peraturas en las cuales el vapor %gas) y el agua %li"uido) pueden coe?istir 2untos. En otras palabras* esto ocurre cuando el rango de vaporiación del agua es igual al rango de condensación.
Venta2as de usar vapor saturado para calenta$iento El vapor saturado tiene varias propiedades "ue lo =acen una gran +uente de calor* particular$ente a te$peraturas de 188 S& %,1,SF) y $!s elevadas. 4lgunas de estas son7 ropiedad &alenta$iento e"uilibrado a trav#s de la trans+erencia de calor latente y apide La presión puede controlar la te$peratura Elevado coe+iciente de trans+erencia de calor 5e origina del agua
2ATERIAL E63IPO
Venta2a e2ora la productividad y la calidad del producto La te$peratura puede establecerse r!pida y precisa$ente 4rea de trans+erencia de calor re"uerida es $enor* per$itiendo la reducción del costo inicial del e"uipo Li$pio* seguro y de ba2o costo
•
/-ID4D E5IO- TEE4T/4 del banco de pruebas de vapor* el cual est! co$puesto de un cilindro conectado a la +uente de vapor. En la parte superior una v!lvula regula la entrada del vapor* el +lu2o de vapor se regula con una v!lvula de agu2a colocada en la parte in+erior del cilindro* de este sale una cone?ión a un aparato "ue gra+ica la presión y te$peratura a un $is$o tie$po. La unidad consta ta$bi#n de un ter$ó$etro y $anó$etro para censar la te$peratura y presión del vapor.
DIB/JO DE L4 I-5T4L4&IO-
O&EDIIE-TO 1. &onectar el e"uipo a la tuber6a del vapor y abrir la valvula superior ,. Estrangular a la salida del cilindro a la presión deseada y esperar su+iciente tie$po para obtener condiciones estables. (. 4notar te$peratura y presión del vapor >. 42ustar a una nueva presión usando la v!lvula de estrangula$iento y esperar su+iciente tie$po para obtener condiciones estables. @. 4note te$peratura y presión del vapor A. epita este procedi$iento =asta alcanar la $!?i$a presión % bar)
. ;abiendo alcanado la $!?i$a presión* to$e una serie de lecturas reduciendo la presión* to$ando el su+iciente tie$po en cada etapa para alcanar condiciones estables. C. 3ra+i"ue la te$peratura %G) contra presión absoluta %?) para los siguientes casos7 a) Incre$entando la presión b) Dis$inuyendo la presión c) Tablas de vapor para el rango de presión usado
T4BL4 DE D4TO5 E5IO- %B4)
TEE4T/4 %Y&)
4u$entando
Dis$inuyendo
Dis$inuyendo
Tablas de vapor
4bs.
Tablas 4u$entando de vapor 4bs.
an.
4bs.
an.
8.@
8.
,
8.
8.@
18>
1(
18>.@
1
8.
1.@
8.
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1,(
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8.
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,
8.
8.@
8.
,
1(
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1(
resion abs 8.@C@ $$;g 8. Bar &/E5TIO-4IO 1.
=o$og#neas "ue +or$an un siste$a. Los siste$as $ono+!sicos se deno$inan =o$og#neos* y los "ue est!n +or$ados por varias +ases se deno$inan $eclas o siste$as =eterog#neos. 5e debe distinguir entre +ase y estado de agregación de la $ateria . Do$o de vapor7 &o$o estos vapores est!n con+inados a un espacio cerrado* se incre$entar! la presión interior y con ello la te$peratura de ebullición del agua seg9n $uestra el diagra$a de +ases* pudi#ndose alcanar +inal$ente $uy elevados valores de presión y te$peratura. Estos vapores se concentran en la parte superior del recipiente inicial$ente vac6o* conocido co$o do$o* de donde se e?trae v6a conductos para ser utiliado en el proceso en cuestión. (. .
'Entalpias y Entrop6as a di+erentes te$peraturas y presiones 'Vol9$enes espec6+icos 'Densidades 'resiones 'Te$peraturas 'Vol9$enes . or "u# es $!s +!cil tabular los estados de saturación "ue los de vapor sobrecalentado o l6"uido sub'en+riadoW ode$os decir "ue es $as +!cil ya "ue los estados de saturación* la te$peratura y presión van a ir variando en +or$a paralela* es decir* si au$enta$os su te$peratura au$entara presión y si dis$inui$os te$peratura de igual $anera dis$inuir! presión* a di+erencia del vapor sobre calentado las dos propiedades pueden variar pero no tener el $is$o co$porta$iento &O-&L/5IO-E5
5e logró conocer la relación "ue e?iste entre te$peratura'presión para un vapor de agua 5e aprendieron diversas de+iniciones "ue nos per$itieron la co$presión de la pr!ctica co$o lo +ueron7 vapor saturado* vapor sobrecalentado* l6"uido saturado* entre otras. 5e construyeron las gr!+icas "ue nos ilustran el te$a principal de la pr!ctica. 5e co$probó de $anera e?peri$enta la relación presión te$peratura para vapor de agua. El vapor puede ser saturado* para deter$inarla relación entre presión y te$peratura y presión +ue necesario obtener di+erentes lecturas y gra+icarlas. Las gr!+icas $uestran "ue a $edida "ue au$enta la te$peratura y ta$bi#n =ay un incre$ento de presión. BIBLIO34FI4 Fuentes bibliogr!+icas •
Faires oring Virgil Ter$odina$ica * /.T.E.;.4.
Fuentes electrónicas RRR.dcb.una$.$?K&oordinaciones4cade$icasK...Kestados sagua.pd+ www.calderasvapor.com/relac__vapor_0-10_bar.htm hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/watvap.html
RRR.sc.e=u.esKsbRebK+isicaKestadisticaKotrosK vapor 1Kvapor1.=t$
&4LID4D DE V4O 4&TI&4 -S (
O45ETIVO Deter$inar la calidad de vapor $ediante el calor6$etro de separación y estrangulación.
INTROD3CCI/N Los calor6$etros de separación y estrangulación son usados para deter$inar la calidad y =u$edad de vapor %+racción seca). El separador es un recipiente usado inicial$ente para separar la $ecla de vapor* asegurando condiciones de sobrecalenta$iento al vapor despu#s del estrangula$iento. El vapor es obligado a ca$biar de dirección s9bita$ente precipitando la =u$edad* "ue es $!s pesada "ue el vapor* las gotas $in9sculas en suspensión al caer son colectadas* en el +ondo del recipiente. /n $edidor de nivel con escala =ace posible "ue la cantidad de $ecla %=u$edad) colectada sea $edida. El calor6$etro por estrangulación es un recipiente con una v!lvula de agu2a y descargado en el condensador. La presión del estrangula$iento* es $edida con un $anó$etro de $ercurio +i2o al cuerpo del color6$etro. El vapor descargado es condensado en una pe"uea super+icie* el vapor pasa a trav#s de unas espiras su$ergidas en un +lu2o de agua +r6a* el condensado es colectado para $edirlo
DI435O DE LA IN0TALACI/N
4. &alor6$etro de separación. B. Estrangula$iento* calor6$etro. &. &ondensador 1. anó$etro bourdeon %presión de vapor a la entrada) ,. Entrada de vapor. (. Ter$ó$etro. >. Volu$en de agua separada del vapor 1. @. V!lvula de estrangulación. A. Ter$ó$etro. . anó$etro. C. 5alida de agua de en+ria$iento. . Entrada de agua de en+ria$iento. 18. &ondensador ,. 11. y 1,. V!lvulas de Desag[e.
PROCEDI2IENTO( a) 4rran"ue la caldera y su$inistre el vapor a la unidad. b) 4bra las v!lvulas de abasteci$iento de agua de en+ria$iento del condensador. c) 4bra las v!lvulas de vapor y per$ita "ue el vapor +luya a trav#s de los calor6$etros y caliente el siste$a a su paso. d) 4bra la v!lvula de estrangulación y a2uste a una presión $arcada de salida acerc!ndose a @c$ de ;g $edido en el $anó$etro di+erencial. e) Drene los condensados al calor6$etro. +) Inicie la prueba y per$ita su+iciente tie$po para colectar una cantidad su+iciente de condensados. g) ida la cantidad de condensados y la cantidad de agua separada. egistro de las lecturas correspondientes. T1 1 T, ,
1 1(C1 ,.C 18 1@
, 1(A ,.C@ 118 1 (@
( 1(C ,.A 11, 1 ,@
> 1(C ,.@ 111 1,
@ 1(C ,.@ 111 1 8@
O.
1 , at$
A( 1A,8 @C@ $$;g
'Te$peratura del vapor en el calor6$etro de separación S& 1' resión del vapor en el $edio
bar
T,' Te$peratura despu#s del estrangula$iento. ,' resión del vapor despu#s del estrangula$iento pulg de ;g 1'&antidad del agua separada
c.c
,' &antidad de condensado
c.c
7OR23LA0 C8LC3LO0 Entalpia antes del estrangula$iento entalpia despu#s del estrangula$iento. h f + x 2 h fg =h x 2=
( h −hf ) h fg
h f 'Entalp6a antes del estrangula$iento %li"uido). h fg 'Entalpia especi+ica. x 2 '&alidad del vapor antes del estrangula$iento.
=' Entalp6a antes del estrangula$iento %vapor recalentado). &antidad de vapor seco x M 2
2
&antidad de vapor seco \ agua M + M 1
&alidad de vapor en la ali$entación. x 2 M 2 x 1= M 1 + M 2
2
-otas7 La entalpia de vapor recalentado se calcula $ediante tablas de vapor recalentado o apro?i$ada$ente con la siguiente ecuación7 2|¿|+ 1.89 ( ! 2−! s ) 2|¿ |= h¿ h¿ ! 2
Ga "ue sabe$os "ue la capacidad calor6+ica del vapor recalentado es de 1.C MJKMg SM* por lo "ue =ay "ue =acer una corrección en +unción de la di+erencia entre te$peratura del vapor ! y la te$peratura de vapor saturado ! s . 2
h f y
h g se calculan de tablas de vapor saturado con T 1 o 1
TA4LA DE RE03LTADO0( h
MJKMg
h f
h fg
MJKMg
x 2
MJKMg
4I4LIOGRA79A 1. Energ6a $ediante vapor* aire y gas. ]7 ;7 5verns. Editorial everte* 5. 4. ,. Ter$odin!$ica Virgil oring Faires* Editorial /TE;4
x1
EFI&IE-&I4 DE 4I5L4-TE 4&TI&4 -S >
O45ETIVO( Investigar y co$parar las p#rdidas de energ6a entre un tubo aislado y no aislado* deter$inar e?peri$ental$ente la conductividad t#r$ica del aislante y del $aterial de los tubos y ade$!s el coe+iciente de trans+erencia.
INTROD3CCI/N( E?isten tres +or$as de trans+erencia de energ6a en +or$a de calor* estas son7 &onducción* adiación y &onvección.
a: &onducción' Este tipo de trans+erencia de calor se debe b!sica$ente a desplaa$iento libre de electrones y la vibración cristalina. &: adiación' Es el +lu2o de energ6a en +or$a de ondas electro$agn#ticas* entre dos cuerpos situados a una distancia deter$inada. c: &onvección' Es la trans+erencia de energ6a entre sólidos y +luidos en $ovi$iento* aun"ue propia$ente este $ecanis$o no trans+iere calor si no energ6a interna. LEGE5 DE T4-5FEE-&I4 DE &4LO. &onducción' La ley "ue gobierna la trans+erencia de energ6a en +or$a de calor por conducción* recibe el no$bre de Ley de Fourier* en =onor al cient6+ico "ue +or$uló en 1C,,. En ella se establece "ue el +lu2o de calor %<) es directa$ente proporcional a el !rea %4) nor$al al +lu2o de calor* y al gradiente de te$peratura dTK d?* a trav#s del !rea. Q"#
d$ dx
La conductividad t#r$ica M convierte la proporción en ecuación* la conductividad t#r$ica es una propiedad del $aterial* constituye una $edida de la e+iciencia con la "ue se puede conducir energ6a t#r$ica. La ecuación 1 "ueda Q "− %#
d$ dx
El signo negativo de la ecuación %,) indica "ue un gradiente negativo de te$peratura produce trans+erencia de calor en la dirección positiva de ?. 4DI4&I0-'La ley corresponde a la trans+erencia de calor por radiación +ue descubierta por J. 5te+an* "uien deter$inó en +or$a e?peri$ental y L. Bolt$ann* "uien la redu2o teórica$ente* y esta es 4
Q= &# $
Donde7 & 'constante 5te+an'Bolt$ann #
'^rea
$ 'Te$peratura absoluta.
&onvección. &uando un +luido pasa sobre una super+icie sólida caliente* se trans+iere energ6a de la pared al +luido por conducción. osterior$ente* esta energ6a la acarrea corriente aba2o el +luido por convección. El t#r$ino convección +orada se utilia cuando el $ovi$iento del +luido es debido a una bo$ba o a un ventilador. 5i le +lu2o del +luido se origina debido a una +uera ascensional derivada del calenta$iento el proceso se deno$ina convección libre o natural. El +lu2o t#r$ico convectivo est! dado por Q =h# ( '$ )
Donde7 ='coe+iciente de convección t#r$ica 4'^rea ' $ 'Di+erencial de te$peraturas.
ara realiar c!lculos sencillos de ingenier6a "ue i$plican convección* el t#r$ino "ue puede ser $!s di+6cil de deter$inar es =* ya "ue dic=a cantidad relaciona las propiedades +6sicas del +luido y la velocidad del $is$o sobre la super+icie del sólido.
I(
2ATERIAL E63IPO(
El e"uipo consta de dos recipientes de acero dulce* un aislado con +ibra de vidrio* y el otro sin aisla$iento. Est! e"uipado con ter$ó$etros y $anó$etros para $edir la presión y te$peratura del vapor* las te$peraturas de la pared de los dos recipientes* $edidores de condensados de dos recipientes. La presión $!?i$a de traba2o es bar. Los recipientes tienen las siguientes di$ensiones +6sicas. adio interior adio e?terior Espesor de aisla$iento Longitud
r1(,$$. r,(C$$. (C$$. >A c$.
DI435O DE LA IN0TALACI/N(
NO2ENCLAT3RA(
-OBE Flu2o de calor
5XBOLO <
/-ID4DE5 ]
&onductividad T#r$ica
M
^rea
4
$,
Di+erencial de te$peraturas
dT
SM
Di+erencial de longitud
d_
$
Te$peratura absoluta
T
SM
&onstante de 5te+an'Bolt$ann
&
]K$, SM >
&oe+iciente de convección t#r$ica Di+erencia de te$peraturas
=
]K$, SM
' $
SM
adio
r
$
esistencia t#r$ica
SMK]
Longitud de la tuber6a
L
$
asa de condensados
$
MgKs
&alidad de vapor
_
''
Entalpia de evaporiación
h fg
JKg
Volu$en de condensados
Vc
$(
Volu$en especi+ico del agua
VR
$ (Kg
t
s
Tie$po
]K$SM
7OR23LA0 C8LC3LO0( El aisla$iento se coloca por tres raones principales. a) educir la trans+erencia y las p#rdidas de energ6a b) revenir "ue el +luido se condense o congele c) or =igiene y seguridad 5i sola$ente se consideran el aspecto de =igiene y seguridad el espesor del aislante es $6ni$o. 5i se consideran los aspectos a) y b) =abr! "ue =acer un an!lisis econó$ico entre las p#rdidas de energ6a y el costo del aisla$iento. Las p#rdidas de energ6a en una tuber6a dependen principal$ente de7
a) La di+erencia total de te$peraturas entre el vapor y el $edio circulante. b) La resistencia del vapor al condensarse y dar su energ6a a la super+icie interna del tubo. c) La resistencia del tubo $et!lico. d) La resistencia del aislante. e) La resistencia del aire "ue lo rodea para eli$inar el calor de la super+icie e?terna %esto 9lti$o se lleva a cabo por radiación y convección) +) La velocidad del vapor en tuber6a. g) Las condiciones del vapor* es decir* si est! saturado o sobrecalentado. En nuestra pr!ctica considera$os "ue la trans+erencia de calor de la pared a la e?terior es debida 9nica$ente por conducción y de la pared e?terior al $edio a$biente %aire) es debido a convección. 4pli"ue$os la ecuación o ley de Fourier a una tuber6a aislada.
Q "− %#
d$ dr
El !rea de trans$isión es la nor$al al +lu2o de calor* supondre$os "ue el calor solo +luye en la dirección radial* por tanto. Q =−2 (r)%
d$ dr
5upondre$os r#gi$en per$anente %<constante)* y pode$os separar variable e integrar desde rr =asta rr
r2
∫ r1
$ 2
dr Q =− r $
Q=
∫ 2 ( k)d$ 1
2 ( k 1 ) ( $ 1 −$ 2 ) ln (
r2 ) r1
4 $enudo es 9til relacionar el +lu2o de calor con t#r$inos el#ctricos se$e2antes. El +luido de calor < es se$e2ante a la corriente el#ctrica y la di+erencia de te$peratura* a la ca6da de volta2e. En consecuencia la tuber6a es se$e2ante a una resistencia y el +actor se$e2ante a la resistencia el#ctrica es la resistencia t#r$ica.
or tanto la ecuación %@) puede e?presarse co$o Q=
( $ −$ ) 1
2
R
ln
R=
() r2 r1
2 ( k 1 )
La ecuación %A) es total$ente si$ilar a la ley de o=$ para un resistor. PIVKQ Este en+o"ue el#ctrico es $uy 9til al considerar estructuras co$puestas* por e2e$plo: si el calor +luye enserie* es decir* paso pri$ero a trav#s de una placa y despu#s por otra* el circuito t#r$ico es igual al $ostrado en la +ig. ,. Obs#rvese "ue la resistencia t#r$ica total es la su$a de las resistencias de los co$ponentes. or otra parte si el +lu2o de calor se realia en paralelo* la conductancia t#r$ica total %1K)* es la su$a de las conductancias t#r$icas* igual "ue un circuito el#ctrico en paralelo. Los an!lisis de trans+erencia de calor est!n relacionadas con circuitos de
conducción en serie y paralelo* y una ve co$prendidos #stos* los c!lculos son sencillos.
De acuerdo a la anterior ecuación de trans+erencia de calor para la tuber6a aislada "uedar6a.
( $ −$ ) Q= ( R − R ) 1
3
1
2
( $ −$ ) 1
Q= ln
3
() () r2 r1
2 ( k 1 )
ln
+
r3 r1
2 ( k 2 )
Donde7
$ 1
Te$peratura en el interior de la tuber6a.
$ 2
Te$peratura en la super+icie e?terior de la tuber6a.
$ 3
Te$peratura en la super+icie e?terior aislante.
r1
adio interior de la tuber6a.
r2
adio e?terior del aislante.
r3
&onductividad t#r$ica del $aterial del tubo.
k 1
&onductividad t#r$ica del $aterial del aislante.
k 2
Longitud de la tuber6a.
)
Longitud de la tuber6a.
$ a
Te$peratura a$biente.
or otra parte el calor es disipado al $edio a$biente. Q =2 ( r 3 )h ( $ 3− $ a)
&4L&/LO DE L45 NDID45 DE &4LO. Las p#rdidas de calor originan una dis$inución en la te$peratura del +luido* originando condensación* siendo esta condensación proporcional a las p#rdidas de calor. or lo tanto si $edi$os la cantidad de condensados en condiciones de calcular el calor perdido tendre$os pues Q =m∗ x∗h fg m=
V c V * !
Donde7
m
$asa del condensado
x
&alidad del vapor
h fg
Entalp6a de vaporación* evaporiación en JKg
V c
Volu$en en condensados $ (
V *
Volu$en especi+ico del agua a la presión del vapor.
!
Tie$po %s) %duración de la prueba)
El porcenta2e de a=orro de energ6a es `PEnerg6a perdida en el siste$a no aislado energ6a perdida siste$a aisladoQ entre %energ6a perdida en el siste$a no aislado).
El calor perdido por el siste$a no aislado se calcula con la ecuación %) y este tiene "ue ser igual calculando con la ecuación %A) de estas dos ecuaciones se puede calcular la conductividad t#r$ica k . 1
or otra parte el calor perdido por el siste$a aislado se puede calcular con las ecuaciones %) y %) y calcular k . 2
De la $is$a $anera se puede calcular el calor disipado al $edio a$biente por las ecuaciones %) y %C) y calcular =* coe+iciente de convección t#r$ica* para los dos siste$as. O&EDIIE-TO. 1. 5u$inistre vapor al e"uipo. ,. &alcular la calidad de vapor. (. 4brir la v!lvula y drenar. >. er$itir +luir el vapor =asta obtener condiciones estables. @. &errar v!lvulas y per$itir la condensación. A. Iniciar la prueba anotando el tie$po y el nivel inicial condensados en cada tubo. . To$ar lecturas cada @ $inutos =asta per$itir una cantidad raonable de condensados %apro?* de (8 $in). C. 4l +inaliar la prueba cerrar v!lvula "ue ali$enta vapor al e"uipo y $edir la di+erencia de niveles del condensado. . TA4LA DE DATO0(
II(
Duración de la prueba
Te$peratura a$biente
590s 18°C
resión at$os+#rica
544mm/Hg
TIEO
V4O
TEE4T/ 4 S&
in.
E5I0-
TE
T/BO
1
E- LO5 T/BO5
VOL/E- DE
T/BO ,
&O-DE-54DO5 c$(
T/BO 1
T/BO ,
( A 1, 1@ ro$ edio
B4
T1
T,
T(
4I5L4 DO T1
,.81 (.A1( (.A1( (.A1( (.A1( (.(C
1(8 1>8 1>8 1>8 1>8 1(C
1(> 1(> 1(@ 1(@ 1(@ 1(>.A
,C ,C ,C (8 (1 ,
1(8 1>8 1>8 1>8 1>8 1(C
T,
11> 11 1,8 1,8 1,8 11C.A
4I5L4DO
-O 4I5L4DO
,C
A(
,C
A(
T4BL4 DE E5/LT4DO5 &4LID4D < &4LO DE DI5I4DO V4O _ ] 5I5TE4 8.> A,>(., 4I5L4DO 5I5TE4 -O 4I5L4DO
8.>
$ MgKs
M ]K$SM
= RK$, SM
8.8>C
(.
AA(.>C
H DE 4;OO >C.AA
1A(.,1
8.8
18.C
1A(A(.@(
>C.AA
C3E0TIONARIO 1. &u!les son los $ecanis$os de trans+erencia de calorW C"nducción# Radiación % C"n+ección ,. &u!les son las ecuaciones +unda$entales de conducción* convección y radiaciónW
C"nducción
Q "− %#
C"n+ección
d$ dx
Q =h# ( '$ )
D"nde; )
4
Q= &# $
D"nde; &
$
<8rea
(. &ó$o describir6a un circuito t#r$ico a un Ing. ElectricistaW
C"!" un circuit" c"n resistencias % le% de ")!# si el cal"r flu%e en serie >R1?R.: pasó p"r una placa % despu,s a "tra# si el flu*" se reali=a en paralel" >1@ >1@R1?1@R.:# es la su!a de las c"nductancias t,r!icas en una pared c"!puesta(
>.
Es el c"eficiente de la capacidad de pr"ducir cal"r# tant" del !aterial del tu&" c"!" del !aterial aislante( 0us unidades s"n; @!°B @. M* es constante* o varia con la te$peratura y presiónW
Este c"eficiente es una c"nstante del !aterial# que depende ta!&i,n de la dirección del flu*" de cal"r# de la te!peratura % del $rad" de )u!edad del !is!"( A.
Es el c"eficiente de c"n+ección t,r!ica# su +al"r depende de la te!peratura# rea# te!peratura % el cal"r perdid"( . El valor de M* calculando para el aislante y para el acero* coinciden con los publicados en la literatura* si no es as6 a "u# causas cree "ue se debaW
0e de&e a que en la literatura es una f"r!a teórica# % en la prctica )a% !uc)"s fact"res que i!piden el +al"r i$ual c"!" s"n la te!peratura real# las p,rdidas " la !ala cali&ración % des$aste de l"s instru!ent"( C.
3n cuerp" ne$r" )ace referencia a un "&*et" "pac" que e!ite radiación t,r!ica( CONCL30IONE0( La trans+erencia de calor es el paso de la energ6a t#r$ica desde una alta te$peratura =asta una $enor te$peratura. ara "ue dic=a trans+erencia pueda realiarse en +or$a de calor e?isten tres +or$as7 conducción* esta se debe a al desplaa$iento libre de electrones y vibración cristalina: convección* la trans+erencia es atreves de sólidos y +luidos en $ovi$iento: y radicación* el +lu2o d energ6a en +or$a de ondas electro$agn#ticas* en dos cuerpos situados a cierta distancia.
ara el siste$a aislado < depende del valor de la conductividad t#r$ica* la cual saca$os de tablas* de los radios e?terior e interior* as6 co$o la longitud y espesor de asila$iento del $aterial. ientras "ue para el siste$a no aislado una ve "ue encontra$os a ?* calcula$os < con la entalpia de vaporiación y la $asa del condensado.
73ENTE0 CON03LTADA0 =ttp7KKRRR.unne.edu.arKunnevie2aK]ebKcytKcytK,88,K8'TecnologicasKT'8(1.pd+ =ttp7KK=yperp=ysics.p=y'astr.gsu.eduK=baseesKt=er$oK=eatra.=t$l =ttps7KKdocs.de.orgKstableKesKdeeduKstarsKai'blacbody
4&TI&4 -S @ EGE&TO
O45ETIVO
DE0CRIPCION DE LA IN0TALACION La unidad en nuestro laboratorio cuenta con dos tan"ues de acero suave* +i2ados a di+erentes niveles e interconectados a una tuber6a de traba2o "ue contiene un eyector ensa$blado. E l cabeal de ali$entación de vapor incluye un acopla$iento sellado en la pared de una longitud de tuber6a de vapor +le?ible* "ue es su$inistrada en la cone?ión de ad$isión entre unidades. Los instru$entos de $edición en la ad$isión de vapor nos indican la presión y te$peratura del $is$o* as6 co$o ta$bi#n se tienen indicadores de te$peratura y de nivel en los dos tan"ues. El eyector es de tipo nor$al y est! dispuesto para un a$plio rango de operación.
El !rea reducida en la garganta del eyector provoca una ca6da de presión en este punto. Esta reducción de presión con respecto a la presión at$os+#rica* origina "ue esta 9lti$a act9e sobre el agua* para producir una +uera de e$pu2e* "ue nos conduce el +luido de un recipiente a otro.
7OR23LA0 CALC3LO0 4-^LI5I5 I Investigar el +unciona$iento de un eyector cuando se usa co$o calentador de ali$entación. El +lu2o de vapor "ue pasa a trav#s de una tobera convergente causa un ca$bio de energ6a de presión a energ6a de velocidad. El incre$ento de velocidad en la garganta ocasiona una ca6da de presión en la $is$a. Esta ca6da de presión es lo su+iciente$ente grande para provocar "ue el nivel del tan"ue de succión de e$pu2e el agua a la garganta del eyector. La condensación del vapor se realia en la bo"uilla* "ue es debida al +lu2o del agua y al ca$bio de presión. &uando se considera al eyector co$o calentador de ad$isión* la energ6a entregada por el vapor sobre el agua* origina una condensación de #ste. 4s6 pues* el agua recibe energ6a del vapor. La e+iciencia de esta trans+erencia est! dada por la ecuación. Eficiencia=
Energiadada al agua Energia en!regada por el +apor
, ∗hfg + Cp ( $s − $ 2) Ms ¿ M* Cp ( $ 2− $ 1) Eficiencia=
¿
Donde7 R7 Flu2o de agua %gKs)
s7 Flu2o $!sico de vapor %gKs) &p7 &alor espec6+ico del agua en %MJKg YM) =+g7 Entalp6a de vaporiación vaporiación a presión presión del vapor %M2Kg ) _7 &alidad del vapor Ts7 Te$peratura de saturación a la presión absoluta del vapor T17 Te$peratura del agua de ali$entación del eyector T,7 Te$peratura Te$peratura del agua entregada al recipiente superior 4-4LI5I5 II Investigar el +unciona$iento del eyector cuando se usa co$o bo$ba. La energ6a del vapor "ue pasa a trav#s de la garganta* es usada co$o +uera de e$pu2e del agua por e+ecto de la di+erencia de presiones entre el nivel del tan"ue de aspiración con respecto a la garganta* garganta* luego se produce un bo$beo entre tan"ues. Energ6a entregada por el vapor Entalp6a de vaporiación \ Entalp6a del l6"uido s %_ =+g\ &p %Ts'T,) Traba2o realiado por el bo$beo del agua Fuera U distancia Fuera gravitacional sobre la $asa del agua desalo2ada en +unción de la altura R g ; Donde7 g7 Es la aceleración de la gravedad %.C1 $Ks,) ;7 Es la carga $edia levantada &arga $edia de succión. &arga $edia se succión 4ltura de la garganta a nivel inicial del tan"ue de succión \ %altura inicial'altura +inal) K,. Eficiencia=
Ener Energiadada giadada al agua Energia Energia en!regada en!regada por el +apor
, ∗hfg + Cp ( $s − $ 2) Ms ¿ M* Cp ( $ 2− $ 1) Eficiencia =
¿
2ATERIAL E63IPO 3TILIADO /tilice el banco de pruebas de vapor en su instalación del eyector. eyector.
PROCEDI2IENTO DE LA0 PR3E4A0
1. ,. (. >. @. A.
5u$i 5u$ini nist stre re vap vapor or al al e"ui e"uipo po Obten Obtenga ga la calida calidadd del del vap vapor or Llen Llenee el tan" tan"ue ue in+e in+erio rior r 42uste 42uste el su$inistr su$inistroo de vapor vapor a 8.@ 8.@ bar de ca6da ca6da de presión presión evisar evisar los niveles niveles de los los tan"ue tan"ue %succió %succiónn y descarg descarga) a) edir y anotar anotar las te$per te$peratura aturass del agua agua de succión* succión* al arran"u arran"uee de la prueba prueba y a cada $inuto durante el tie$po "ue dura la prueba. . edir edir y anota anotarr las te$per te$peratu aturas ras del agua agua entregad entregadaa desde desde el arran" arran"ue ue t cada cada $inuto durante toda la prueba. C. edir edir la colu$na colu$na en la succión succión al iniciar iniciar la prueba prueba %4ltura %4ltura desde desde la l6nea l6nea de centro del eyector =asta el nivel del tan"ue en la succión) . Ensay Ensayar ar la la prue prueba ba dura durante nte > $in $in 18. edir y anotar los niveles del agua al +inal del periodo periodo de ensayo. ara dic=a prueba la calibración del tan"ue es de 1 c$ 1.> litro %escala). Flu2o $!sico de vapor %&a$bio de nivel del depósito superior'&a$bio de nivel del deposito in+erior) 1.> Flu2o $!sico de agua &a$bio de nivel del depósito in+erior U 1.>
TA4LA DE LECT3RA0 Duración de la pr prueba en $in
> in
resión del vapor %$an) bar.
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-ivel inicial del tan"ue de succión7 Di+erencia 1A.A ,(c$ -ivel +inal del tan"ue de succión7 A.> c$ -ivel inicial del tan"ue de descarga7 8.A Di+erencia 1.> c$ -ivel +inal del tan"ue de descarga7 1C c$ Te$peratura del agua de succión Y& 1 Te$peratura del ag agua de de descarga Y&
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4ltura de succion inicial %c$)
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Titulo de vapor _ resión baro$#trica $$;g La calibración del tan"ue es de 1 c$1.> litros
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C3E0TIONARIO 1. !a%"r a F !!$: % tra&a*an a presión at!"sf,rica (. Dónde se utilian los eyectores de dos escalona$ientosW General!ente en &"!&as de +ac'" del tip" e%ect"r de aire de c)"rr" de +ap"r(
En este este sist sistee!a el +ap" +ap"rr a alta alta pre presión sión flu% flu%ee p"r p"r el e%ec e%ect" t"rr del del pri! pri!er er escal"na!ient" % arrastra el aire % +ap"r del c"ndensad"r principal( Esta !e=cla pasa al c"ndensad"r inter!edi"# en d"nde el +ap"r se c"ndensa % el aire % "tr"s $ase $asess s"n s"n enfr enfria iad" d"ss ante antess de ser ser a&s" a&s"r& r&id id"s "s p"r p"r el e%ec e%ect" t"rr del del se$u se$und nd"" escal"na!ient"( El c"ndensad" que se f"r!a en el c"ndensad"r inter!edi"# a una presión a&s"luta de F(H $@c!J. apr"Ki!ada!ente# se e+acua $eneral!ente p"r !edi" de un pur$ad"r % a c"ntinuación es de+uelt" al c"ndensad"r principal( principal( >. En cu!l de las dos instalaciones usadas en el eyector tiene $!s e+icienciaW Cuand" el e%ect"r funci"na c"!" &"!&a( La ener$'a del +ap"r que pasa a tra+,s de la $ar$anta# es usada c"!" fuer=a de e!pu*e del a$ua p"r efect" de la diferencia de presi"nes entre el ni+el del tanque de aspiración c"n respect" a la $ar$anta# lue$" se pr"duce un &"!&e" entre tanques(
@. 5i se utilia aire en un eyector y pasa por un tubo de di!$etro d y agua es succionada por otro conducto de di!$etro D &ó$o var6an sus velocidades en un eyectorW En realidad n" eKiste !uc)a +ariación c"n respect" al flu*"# el e%ect"r es el que re$ula el caudal de est"s d"s l'quid"s % deter!ina la +el"cidad a la cual +an a circular( A.
Depende principal!ente de una presión !"tri= p"r l" !en"s . $@c!J. superi"r a la altura de descar$a eKpresada en la !is!a unidad# p"r "tra parte ta!&i,n puede depender en parte del caudal del fluid" !"tri= .
CONCL30IONE0 5e co$prendió la de+inición* principio de +unciona$iento y tipos de eyectores "ue se utilian en la industria. 5e co$probó el +unciona$iento de un eyector utiliado co$o calentador y se calculó de $anera teórica'e?peri$ental$ente su e+iciencia. 5e co$probó el +unciona$iento de un eyector utiliado co$o bo$ba y se calculó de $anera teórica'e?peri$ental$ente su e+iciencia. E?isten di+erentes tipos de bo$bas en vac6o para un condensador* entre las $!s co$unes est!n la de desplaa$iento positivo y de e$bolo. &uando el eyector +unciona co$o bo$ba =ay una $ayor e+iciencia. La elevación de un l6"uido en el eyector depende de una presión $otri superior a l altura de descarga y caudal del +luido. I( 4I4LIOGRA7IA •
Fuentes bibliogr!+icas
5everns ].;. La producción de energ6a $ediante el vapor de agua* el aire y los gases* Editorial everte e?icana 5.4.* !gs. (@,'>1. Fuentes electrónicas
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RRR.e"uirepsa.co$KproductosKeyectoresKcalentadores'vaporK Rebdelpro+esor.ula.veKingenieriaKleonardoKat4poyoK...KEGE&TOE5.pd+. RRR.ptolo$eo.una$.$?7C8C8K2spuiKbitstrea$K1(,.,>C.@,[email protected]+ RRR.in$ateinsa.co$Kpd+Kbroc=ure.pd+
PRACTICA N° TORRE DE EN7RIA2IENTO O45ETIVO; oner al alu$no en contacto con una torre de en+ria$iento* para "ue conoca el +unciona$iento* operación e i$portancia de este e"uipo t#r$ico en algunos procesos industriales* ade$!s establecer el balance de energ6a y $ateria para dic=a torre cuando esta +unciona en r#gi$en per$anente.
INTROD3CCION Las torres de re+rigeración o en+ria$iento son estructuras para re+rigerar agua y otros $edios a te$peraturas $uy altas. El uso principal de grandes torres de re+rigeración industriales es el de reba2ar la te$peratura del agua de re+rigeración utiliada en plantas de energ6a* re+iner6as de petróleo* plantas petro"u6$icas* plantas de procesa$iento de gas natural y otras instalaciones industriales. /na torre de en+ria$iento es una instalación cuya +unción es la dispersión de calor del agua* "ue involucra con2unta$ente los +enó$enos de trans+erencia de calor y de $asa %evaporación controlada por el contacto directo del agua con el aire). ara lograr e+ectos en la torre de en+ria$iento es $uy i$portante "ue la gota del l6"uido tenga un ta$ao $enor durante su trayectoria o ca6da para au$entar el !rea de contacto con el aire* lo cual se logra interponiendo obst!culos %el relleno)* "ue la detienen y al $is$o tie$po la ro$pen* +acilitando el proceso de evaporación. &on el e$pleo de nuevas tecnolog6as incorporadas a estos siste$as* los obst!culos en lugar de ro$per la gota =acen posible "ue se +or$e una pel6cula $uy delgada en donde se lleva a cabo el $is$o proceso. &aracter6sticas &o$o ya se $encionó* las torres de en+ria$iento son e"uipos "ue se e$plean para en+riar agua en grandes vol9$enes* siendo el $edio $!s econó$ico para =acerlo* si se co$para con otros e"uipos de en+ria$iento co$o los interca$biadores de calor donde el en+ria$iento ocurre a trav#s de la pared.
E?isten distintos tipos de torres de en+ria$iento. Las =ay para la producción de agua de proceso "ue sólo se puede utiliar una ve* antes de su descarga. Ta$bi#n =ay torres de en+ria$iento de agua "ue puede reutiliarse en el proceso. &uando el agua es reutiliada* se bo$bea a trav#s de la instalación en la torre de en+ria$iento. Despu#s de "ue el agua se en+r6a* se reintroduce co$o agua de proceso. El agua "ue tiene "ue en+riarse general$ente tiene te$peraturas entre >8 y A8&. El agua se bo$bea a la parte superior de la torre de en+ria$iento y de a=6 +luye =acia aba2o a trav#s de tubos de pl!stico o $adera. Esto genera la +or$ación de gotas. &uando el agua +luye =acia aba2o* e$ite calor "ue se $ecla con el aire de arriba* provocando un en+ria$iento de 18 a ,8 &. Es reco$endable realiar un trata$iento del agua a en+riar* agregando !lcalis* +ungicidas* bactericidas y +loculantes: ade$!s de realiar un an!lisis periódico tanto de durea co$o de iones cloro* ya "ue #stos son causantes de las incrustaciones y la corrosión. arte del agua se evapora* causando la e$isión de $!s calor. or eso se puede observar vapor de agua enci$a de las torres de re+rigeración. De esta $anera* el agua le tras$ite al aire el calor "ue contiene* $ientras cae y el aire a su ve sale por la parte superior* conteniendo el calor. or eso* $uc=as veces las torres de en+ria$iento $uestran blancas +u$arolas en su parte superior.
ara crear +lu2o =acia arriba* algunas torres de en+ria$iento contienen aspas en la parte superior* las cuales son si$ilares a las de un ventilador. Estas aspas generan un +lu2o de aire ascendente =acia la parte interior de la torre de en+ria$iento. El agua cae en un recipiente y se retraer! desde a=6 para al proceso de producción. E?isten siste$as de en+ria$iento abiertos y cerrados. &uando un siste$a es cerrado* el agua no entra en contacto con el aire de +uera. &o$o consecuencia* la conta$inación del agua de las torres* por los conta$inantes del aire y $icroorganis$os* es insigni+icante.
4de$!s* los $icroorganis$os presentes en las torres de en+ria$iento no son eli$inados a la at$ós+era. ara evitar la corrosión en las torres de en+ria$iento es reco$endable7 f Instalación de testigos de corrosión f onitoreo de la velocidad de corrosión G
f antener e+iciencia de tras+erencia de calor f Evitar costosos correctivos
$anteni$ientos
f rotección de e"uipos y tuber6as Evitando el ensucia$iento* se tendr!7 ara evitar la incrustación se reco$ienda seguir los siguientes puntos7
f &ontrol de $icrobiológica
la
proli+eración
f rotección de e"uipos y tuber6as f Opti$iación de procesos
f Eli$inación de algas* =ongos y levaduras f Dis$inución de paros no progra$ados por $anteni$iento
&lasi+icación de torres de en+ria$iento Las torres de en+ria$iento se clasi+ican de acuerdo con los $edios por los "ue se su$inistra el aire. Todas e$plean =ileras =oriontales de e$pa"ue para su$inistrar gran super+icie de contacto entre al aire y el agua. Torres de tiro $ec!nico f Tiro inducido7 El aire se succiona a trav#s de la torre $ediante un abanico situado en la parte superior de la torre. f Tiro +orado7 El aire se +uera por un abanico en el +ondo de la torre y se descarga por la parte superior. Torres de circulación natural f 4t$os+#ricas7 4provec=a las corrientes at$os+#ricas de aire* este penetra a trav#s de ro$pe vientos en una sola dirección* ca$biando con las estaciones del ao y las condiciones at$os+#ricas. f Tiro natural7 Operan de la $is$a $anera "ue una c=i$enea de un =orno. La di+erencia entre la densidad del aire en la torre y en el e?terior originan un +lu2o natural de aire +r6o en la parte in+erior y una e?pulsión del aire caliente $enos denso en la parte superior. En el tipo de tiro +orado el aire entra a trav#s de una abertura circular $ediante un abanico* y debido a esto se deber! su$inistrar una altura de torre y su volu$en correspondiente de relativa ine+ectividad* "ue se usa co$o entrada de aire. En las torres de tiro inducido* el aire puede entrar a lo largo de una o $!s paredes de la torre y* co$o resultado* la altura re"uerida de la torre para entrada del aire es $uy pe"uea. En la torre at$os+#rica* las corrientes penetran a todo el anc=o de la torre* las torres se =acen $uy angostas en co$paración con otros tipos* y deben ser $uy largas para una capacidad igual %ver +igura 1). Las torres de tiro natural deben ser altas para pro$over el e+ecto de las densidades* deben tener una sección transversal grande debido a la ba2a velocidad con "ue el aire circula co$parada con las torres de tiro $ec!nico.
Es conocer "ue se e$pear a torre de y aun"ue ele$ental* ocasiones variables bien.
i$portante las variables usan para especi+icar una en+ria$iento correcta$ente: esto parece en algunas dic=as no se conocen
f Flu2o %F). Es la cantidad de agua "ue va a circular por la torre. Las unidades co$unes en "ue se e?presa son $(K=* L o 3 en el siste$a ingl#s. Esta variable es +i2ada por el cliente o asesor dependiendo del proceso. f Te$peratura del agua caliente %T4&). Es la te$peratura del agua en circulación al entrar a la torre de en+ria$iento: est! dada por las condiciones del proceso y ta$bi#n debe ser +i2ada por el cliente o el asesor* dependiendo del proceso. 5e da en O& o en OF. f Te$peratura de agua +r6a %T4F). Es la te$peratura del agua en circulación al salir de la torre y* al igual "ue la anterior* est! deter$inada por el proceso en cuestión. 5e da en O& o en OF. f Te$peratura del bulbo =9$edo %TB;). Es la te$peratura de e"uilibrio din!$ico "ue se alcana en la super+icie del agua cuando el +lu2o del calor trans+erido a la super+icie por convección se iguala con el +lu2o de $asa trans+erida +uera de la super+icie. 5e da en O& o OF. f r!ctica$ente es la te$peratura "ue se alcana en un ter$ó$etro rodeado de una $ec=a =u$edecida en +or$a constante y es la te$peratura teórica "ue se puede alcanar el agua +r6a con una torre in+inita. f ango de en+ria$iento %). Es la di+erencia entre la te$peratura del agua caliente y del agua +r6a. f 4pro?i$ación al bulbo =9$edo %4). Es la di+erencia entre la te$peratura del agua +r6a y la te$peratura del bulbo =9$edo. &ONCL30IONE0
Las torres de re+rigeración o en+ria$iento son estructuras para re+rigerar agua y otros $edios a te$peraturas $uy altas uso principal de grandes torres de re+rigeración industriales es el de reba2ar la te$peratura del agua de re+rigeración utiliada en plantas de energ6a E?isten distintos tipos de torres de en+ria$iento. Las =ay para la producción de agua de proceso "ue sólo se puede utiliar una ve* antes de su descarga. Las torres de en+ria$iento son e"uipos "ue se e$plean para en+riar agua en grandes vol9$enes. Las torres de en+ria$iento se clasi+ican de acuerdo con los $edios por los "ue se su$inistra el aire. Todas e$plean =ileras =oriontales de e$pa"ue para su$inistrar7 Tiro inducido7 El aire se succiona a trav#s de la torre $ediante un abanico situado en la parte superior de la torre: Tiro +orado7 El aire se +uera por un abanico en el +ondo de la torre y se descarga por la parte superior. Es i$portante conocer las variables "ue se usan para e$pear a especi+icar una torre de en+ria$iento correcta$ente7 Flu2o %F). &antidad de agua "ue va a circular por la torre. Te$peratura del agua caliente %T4&). Te$peratura del agua en circulación al entrar a la torre de en+ria$iento. Te$peratura del bulbo =9$edo %TB;). Te$peratura de e"uilibrio din!$ico.
73ENTE0 DE CON03LTA “Práctica de Torre de Enfriamiento” del Instituto Tecnológico de Toluca, Ingeniería Química, Laboratorio Integral (Iii-!" “#etodología de Torres de Enfriamiento de $gua” de la %omisión &acional 'ara el soEficiente de la Energía (%)&EE!"
4IE 4&O-DI&IO-4DO 4&TI&4 El acondiciona$iento de aire es el proceso "ue se considera $!s co$pleto de trata$iento del aire a$biente de los locales =abitados: consiste en regular las condiciones en cuanto a la te$peratura %cale+acción o re+rigeración)* =u$edad* li$piea %renovación* +iltrado) y el $ovi$iento del aire dentro de los locales.
Entre los siste$as de acondiciona$iento se cuentan los autóno$os y los centraliados. Los pri$eros producen el calor o el +r6o y tratan el aire %aun"ue a $enudo no del todo). Los segundos tienen unKunos acondicionadorKes "ue sola$ente tratan el aire y obtienen la energ6a t#r$ica %calor o +r6o) de un siste$a centraliado. En este 9lti$o caso* la producción de calor suele con+iarse a calderas "ue +uncionan con co$bustibles. La de +r6o a $!"uinas +rigor6+icas* "ue +uncionan por co$presión o por absorción y llevan el +r6o producido $ediante siste$as de re+rigeración. La e?presión aire acondicionado suele re+erirse a la re+rigeración* pero no es correcto* puesto "ue ta$bi#n debe re+erirse a la cale+acción* sie$pre "ue se traten %acondicionen) todos o algunos de los par!$etros del aire de la at$ós+era. Lo "ue ocurre es "ue el $!s i$portante "ue trata el aire acondicionado* la =u$edad del aire* no =a tenido i$portancia en la cale+acción* puesto "ue casi toda la =u$edad necesaria cuando se calienta el aire* se aade de $odo natural por los procesos de respiración y transpiración de las personas. De a=6 "ue cuando se inventaron $!"uinas capaces de re+rigerar* =ubiera necesidad de crear siste$as "ue redu2esen ta$bi#n la =u$edad a$biente. E?isten $uc=os tipos de siste$as de aire acondicionado "ue se pueden utiliar en el =ogar* incluyendo de ventana* port!til* sin ductos y aire acondicionado central. 5in e$bargo* todos ellos utilian los siguientes co$ponentes y re+rigeración de e?pansión directa. e+rigerante El re+rigerante es la ZsangreZ "ue bo$bea a trav#s del siste$a de aire acondicionado. &a$bia de estado de vapor de gas a l6"uido a $edida "ue recoge el calor de la casa y lo saca al e?terior. El re+rigerante es especial* ya "ue tiene un punto de ebullición $uy ba2o* lo "ue "uiere decir "ue ca$bia de l6"uido a vapor a ba2as te$peraturas.
DE5&I&I0- G F/-&I0- DE ELEE-TO57 1. &o$presor El co$presor es el $ecanis$o encargado de aspirar el gas* co$pri$irlo y ponerlo en circulación a trav#s de los circuitos y de$!s ele$entos. &ada siste$a $ontar! un
co$presor espec6+ico seg9n las caracter6sticas y capacidad del e"uipo. El $ecanis$o interior de los co$presores puede variar seg9n $arcas pero el resultado o el ob2etivo sie$pre es el $is$o. ,. &ondensador El condensador es el ele$ento encargado de tras+or$ar el gas en l6"uido* lo consigue ba2ando su te$peratura. Es un radiador convencional con ventilador adecuado para alo2ar gas y li"uido del siste$a de cli$atiación* Desde el co$presor* el vapor de re+rigerante caliente pasa al condensador. 4"u6* el vapor de re+rigerante caliente a alta presión es en+riado por el aire "ue es soplado sobre las bobinas de condensación con aletas por el ventilador del condensador* a $edida "ue se desplaa por las bobinas con aletas. 4 $edida "ue el re+rigerante se Zen+r6aZ* ca$bia de estado de vapor caliente a l6"uido caliente a alta presión y pasa a la v!lvula de e?pansión. El co$presor* la bobina del condensador y el ventilador del condensador est!n situados en esa gran ca2a ruidosa "ue est! en el patio trasero* a $enudo lla$ada unidad de condensación (. Filtro Des=idratante Este +iltro tiene varias +unciones y es un ele$ento b!sico para el buen +unciona$iento del siste$a7 ' etiene part6culas de suciedad con el +iltro interior. ' etiene la =u$edad* co$o su no$bre indica esta es una $!s de sus +unciones. ' 4ct9a de contenedor de gas l6"uido* =ace de depósito acu$ulador. ' &ontrola la calidad de la condensación. Disponen de una $irilla para ver si =ay burbu2as de aire dentro del circuito. >. resostato Es el encargado de controlar y regular las presiones en el circuito re+rigerante* conocidos co$o v!lvulas trinarias o cuatrinarias. Nste controlar! el arran"ue del co$presor y de los ventiladores seg9n la presión. @. V!lvula de e?pansión Esta v!lvula regula la cantidad de gas en estado l6"uido "ue debe entrar en el evaporador para el +unciona$iento correcto. ;ay tres tipos* ter$ost!ticas* $ono blo"ue y de tubo. La v!lvula de e?pansión es lo "ue real$ente =ace el traba2o. 4 $edida "ue el l6"uido re+rigerante caliente pasa a trav#s de una pe"uea abertura a alta presión en la v!lvula por un lado* sale co$o una niebla +r6a a ba2a presión por el otro lado por"ue a $edida "ue un gas se e?pande* se en+r6a. 4s6 "ue a=ora tene$os un vapor +r6o l6"uido a ba2a presión "ue pasa a la bobina del evaporador. A. Evaporador
El evaporador es un interca$biador de calor o radiador* en el interior del ve=6culo* por el "ue circula el gas l6"uido +r6o y $ediante un ventilador e$pu2a el aire re+rigerado =acia el =abit!culo. . 5onda del evaporador 5ensor encargado de enviar in+or$ación de la te$peratura del evaporador ya sea a la v!lvula trinaria o a centralita en el caso de cli$atiadores. C. Filtro de =abit!culo Este +iltro de =abit!culo o +iltro de anti polen es el encargado de eli$inar i$pureas en el aire "ue utilia$os para ventilar el interior del coc=e. . Tubos y $angueras Estos conductos diseados seg9n las caracter6sticas del e"uipo son los encargados de trasportar el gas o li"uido entre los ele$entos "ue +or$an el es"ue$a. Encontrare$os sie$pre secciones anc=as para los tra$os de ba2a presión y di!$etros $!s pe"ueos para las onas de alta presión. 18. Bobina del Evaporador El l6"uido +r6o a ba2a presión "ue sale de la v!lvula de e?pansión a=ora pasa por la bobina del evaporador situada en la c!$ara de $ecla del =orno. 4"u6 el aire caliente de tu casa sale a trav#s de la bobina del evaporador y lo calienta* $ientras "ue la bobina +r6a en+r6a el aire "ue sopla a trav#s de ella y lo devuelve al =ogar. 4 $edida "ue el re+rigerante se calienta* =ierve y ca$bia de l6"uido +r6o y se evapora en un vapor caliente. 4 partir de a=6 pasa nueva$ente al co$presor y la unidad de condensación e?terior y el ciclo de en+ria$iento continua. F/-&IO-4IE-TO DEL 5I5TE47 El co$presor o $otor del aire acondicionado e$pu2a el gas y $anda presión =acia el condensador. El gas* al pasar por el condensador ba2a su te$peratura y presión pasando a estado l6"uido. &uando sale del condensador pasa por la v!lvula trinaria o+reciendo lectura de presión a la $is$a* de a=6 sigue pasando por el interior del +iltro* eli$inando i$pureas y =u$edad. 4=ora la v!lvula de e?pansión ser! la encargada de regular la cantidad de gas en estado l6"uido "ue entra en el evaporador. El gas l6"uido ya circula por el evaporador y el ventilador e$pu2a el aire +r6o* +iltrado por el anti polen* =acia el =abit!culo. El co$presor aspira el gas llev!ndolo de nuevo a su interior para seguir co$pri$iendo y enviando a trav#s del circuito cerrado.
DIFEE-&I4 E-TE 4IE 4&O-DI&IO-4DO G &LI4TI4DO7 5i a al siste$a de aire acondicionado se le aade una regulación de te$peratura electrónica %co$presor de presión variable)* un acciona$iento de tra$pillas auto$!tico o el#ctrico con $otores* sensores de te$peratura e?terior* interior* de escarc=a y de$!s* tendre$os un cli$atiador. El +unciona$iento b!sico sie$pre ser! el $is$o. Dependiendo de sus accesorios y $odo de selección de cli$a y de$!s* el e"uipo convencional de aire acondicionado se tras+or$a en un $oderno cli$atiador. Los cli$atiadores incorporan centralitas de control y diagnosis del siste$a. DI43-O5TI&4 4VEX45 E- EL E
sospec=are$os de ello por +alta de gas* y las di+icultades de circulación de gas en su interior nos dar!n altas presiones con su consiguiente subida de te$peratura. En los +iltros secantes lo $is$o* si se encontraran obstruidos ta$bi#n nos dar6a el aviso la te$peratura del +iltro o de los conductos cercanos. Lógica$ente y antes de todo deber6a$os estar seguros de "ue el siste$a est! cargado de gas. -os pode$os ayudar de la $irilla "ue incorpora el +iltro secador asegur!ndose "ue no =aya burbu2as de aire. Despu#s de sustituir cual"uier ele$ento del siste$a deber6a$os sustituir ta$bi#n el +iltro secador ya "ue a=6 se acu$ular6a suciedad o restos de desgaste de ele$entos. &O-&L/5IO-E57 El aire acondicionado consiste en regular las condiciones de te$peratura* ya sea cale+acción o re+rigeración %calor o +rio)* as6 co$o el $ovi$iento de aire. Este siste$a a su ve se divide en dos* son autóno$os cuando se trata de producir calor o +rio* y son centraliados cuando solo tratan el aire y obtienen la energ6a t#r$ica de un siste$a centraliado. &uando se dice aire acondicionado por lo regular suele pensarse en aire +rio* sin e$bargo* ta$bi#n se trata de cale+acción* y el e2e$plo $!s claro del tipo de aire acondicionado son los ventiladores "ue se ocupan en casa. En un siste$a de aire acondicionado se encuentran varios ele$entos co$o son7 co$presor %aspirara el gas* lo co$pri$e y pone en circulación)* condensador %trans+or$a el gas en li"uido)* +iltro des=idratante %+iltra la suciedad y =u$edad)* presostato %regula las presiones del re+rigerante)* v!lvula de e?pansión %regula la cantidad de gas en estado l6"uido "ue debe entrar en el evaporador para el +unciona$iento correcto)* etc. ara diagnosticar +allas en el aire acondicionado es $uy i$portante conocer su +unciona$iento $uy bien. ;ay "ue saber "ue la presión y la te$peratura son proporcionales si una es $ayor la otra ta$bi#n debe serlo* el $i$os caso para el sentido contrario. F/E-TE5 &O-5/LT4D457 =ttp7KKRRR.vagclub.netKtecK+unciona$ientoaa.pd+
PRACTICA N° CO2PRE0ORE0
O45ETIVO Introducirse al +unciona$iento de un co$presor de desplaa$iento positivo* co$probación de su teor6a* as6 co$o la e?plicación de sus +allas $!s co$unes y obtención de curvas caracter6sticas.
INTROD3CCION DE0ARROLLO /n co$presor es una $!"uina "ue eleva la presión de un gas* un vapor o una $ecla de gases y vapores. La presión del +luido se eleva reduciendo el volu$en espec6+ico del $is$o durante su paso a trav#s del co$presor. &o$parados con turbo soplantes y ventiladores centr6+ugos o de circulación a?ial* en cuanto a la presión de salida* los co$presores se clasi+ican general$ente co$o $!"uinas de alta presión* $ientras "ue los ventiladores y soplantes se consideran de ba2a presión. Los co$presores se e$plean para au$entar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran n9$ero de aplicaciones. /n caso co$9n es el co$presor de aire* "ue su$inistra aire a elevada presión para transporte* pintura a pistola* in+la$iento de neu$!ticos* li$piea* =erra$ientas neu$!ticas y per+oradoras. Otro es el co$presor de re+rigeración* e$pleado para co$pri$ir el gas del vaporiador. Otras aplicaciones abarcan procesos "u6$icos* conducción de gases* turbinas de gas y construcción. Estructura de los co$presores Los ele$entos principales de esta estructura son7 $otor* cuerpo* tapas* en+riador y !rboles. El cuerpo y las tapas del co$presor se en+r6an por el agua. Los ele$entos constructivos tienen ciertas particularidades. ara dis$inuir las p#rdidas de energ6a de la +ricción $ec!nica de los e?tre$os de las placas contra el cuerpo en este se colocan dos anillos de descarga "ue giran libre$ente en el cuerpo. 4 la super+icie e?terior de estos se env6a lubricación. 4l girar el $otor los e?tre$os de las placas se apoyan en el anillo de descarga y se deslian parcial$ente por la super+icie interior de estos: los anillos de descarga giran si$ult!nea$ente en el cuerpo. 4l +in de dis$inuir las +ueras de +ricción en las ranuras las placas se colocan no radical$ente sino desvi!ndolas =acia adelante en dirección de la rotación. El !ngulo de desviación constituye a 18 grados. En este caso la dirección de la +uera "ue act9a sobre las placas por lado del cuerpo y los anillos de descarga se apro?i$a a la dirección de desplaa$iento de la placa en la ranura y la +uera de +ricción dis$inuye. ara dis$inuir las +ugas de gas a trav#s de los =uelgos a?iales* en el bu2e del $otor se colocan anillos de e$pacaduras apretados con resortes contra las super+icies de las tapas. or el lado de salida del !rbol a trav#s de la tapa* se =a colocado una 2unta de prensaestopas con dispositivos tensor de resortes.
&lasi+icación de los co$presores 4l clasi+icarse seg9n el indicio constructivo los co$presores volu$#tricos se subdividen en los de #$bolo y de $otor y los de paletas en centr6+ugos y a?iales. Es posible la división de los co$presores en grupos de acuerdo con el g#nero de gas "ue se desplaa* del tipo de trans$isión y de la destinación del co$presor. Estos al igual "ue las bo$bas $encionadas anterior$ente pueden clasi+icarse en dos grupos7 1. &o$presores de desplaa$iento positivo ,. &o$presores de desplaa$iento no positivo DE5&I&I0- DE &OE5OE5 DE DE5L44IE-TO O5ITIVO &OE5OE5 4LTE-4TIVO5 O DE EBOLO El co$presor de e$bolo* de vaiv#n o de $ovi$iento alternativo* es una $!"uina de desplaa$iento positivo "ue au$enta la presión de un volu$en deter$inado de gas $ediante la reducción de su volu$en inicial. La co$presión se veri+ica por el $ovi$iento de vaiv#n de un e$bolo encerrado en un cilindro. 3eneral$ente* el cilindro es de dobla e+ecto y esta accionado por un $ecanis$o de biela y $anivela. La co$presión tiene lugar en a$bos e?tre$os del cilindro* el cual suele llevar una ca$isa de agua para disparar el calor engendrado por la +ricción de los anillos del e$bolo y por la e$pa"uetadura del v!stago y parte del calor de co$presión. La salida del v!stago en el cilindro se cierra con una e$pa"uetadura sin escapes. 5e regula la oportuna salida y entrada del gas en el cilindro $ediante v!lvulas "ue se abren seg9n ca$bia la presión di+erencial entre el interior del cilindro y el siste$a gaseoso. El proceso de co$presión puede veri+icarse en una sola etapa ter$odin!$ica %co$presión de una +ase) o dividirse en varias etapas con en+ria$iento inter$edio del gas %co$presión de varias etapas o $ultigradual). La co$presión $ultigradual re"uiere una $a"uina $!s costosa "ue la co$presión uni+ase* pero se utilia con $!s +recuencia por varias raones7
$enor consu$o de energ6a* $enor elevación de te$peratura del gas dentro del cilindro y $enor di!$etro del cilindro. Los co$presores "ue se utilian $!s co$9n$ente para co$pri$ir gases tienen una cruceta a la "ue se conectan la biela y la varilla del pistón. Esto proporciona un $ovi$iento en l6nea recta para la varilla del pistón y per$ite "ue se utilice un e$bala2e si$ple* en la +igura (8 se $uestra una $a"uina sencilla* de etapa si$ple* con un pistón de acción doble. 5e pueden utiliar pistones de acción si$ple o doble* dependiendo del ta$ao de la $!"uina y el n9$ero de etapas. En alguna $a"uinas* se usan pistones de acción doble* en la pri$era etapa y de acción si$ple* en las posteriores. En las $!"uinas de etapas $9ltiples* =ay en+riadores inter$edios entre capa una de estas. Esos interca$biadores de calor eli$inan el calor de la co$presión del gas y reducen su te$peratura a apro?i$ada$ente la "ue e?iste a la entrada del co$presor. Ese en+ria$iento reduce el volu$en de gas "ue va a los cilindros a alta presión* =ace dis$inuir la energ6a necesaria para la co$presión y* a presiones elevadas* $antiene la te$peratura dentro de l6$ites de operación seguros. Los co$presores con cilindro =oriontales son los "ue $!s se utilian* por su capacidad de acceso. 5in e$bargo* se construyen ta$bi#n $a"uinas con cilindros verticales y otras disposiciones* tales co$o las de !ngulo recto %uno =oriontal y el otro vertical) y en !ngulo en V. Los co$presores alternativos* pueden ser del tipo lubricado o sin lubricar.
Lubricación de co$presores ara la lubricación de los co$presores de #$bolo se e$plean los $is$os $#todos "ue para las $!"uinas de vapor* salvo las altas e?igencias de los aceites de engrase a causa del gran calor radiado por los cilindros de vapor. ara el engrase de los cilindros* co$o para las $!"uinas de vapor* se e$plean bo$bas de #$bolo buo de +unciona$iento obligado por la trans$isión.
49n con altas presiones de gas deben procurarse aceites de poca viscosidad. /n aceite viscoso e?ige una potencia innecesaria$ente grande y =ace "ue las v!lvulas tengan $!s tendencia a pegarse y ro$perse. ara $uy altas presiones* se e$plean* sin e$bargo* algunas veces los aceites viscosos para $e2ora la =er$eticidad* aun"ue la te$peratura del gas sea $!s ba2a. 4 ser posible se utiliara el aceite para el engrase del cilindro y de la trans$isión* pues ello +acilita la recuperación y nuevo e$pleo del aceite.
TIO5 DE &OE5OE5 4LTE-4TIVO5 O DE NBOLO &o$presor de #$bolo oscilante Este es el tipo de co$presor $!s di+undido actual$ente. Es apropiado para co$pri$ir a ba2a* $edia o alta presión. ara obtener el aire a presiones elevadas* es necesario disponer varias etapas co$presoras. El aire aspirado se so$ete a una co$presión previa por el pri$er #$bolo* seguida$ente se re+rigera* para luego ser co$pri$ido por el siguiente #$bolo. El volu$en de la segunda c!$ara de co$presión es* en con+or$idad con la relación* $!s pe"ueo. Durante el traba2o de co$presión se +or$a una cantidad de calor* "ue tiene "ue ser evacuada por el siste$a re+rigeración.
&o$presor de $e$brana /na $e$brana separa el #$bolo de la c!$ara de traba2o: el aire no entra en contacto con las pieas $óviles. or tanto* en todo caso* el aire co$pri$ido estar! e?ento de aceite. Estos* co$presores se e$plean con pre+erencia en las industrias ali$enticias +ar$ac#uticas y "u6$icas. &o$presor de #$bolo rotativo &onsiste en un #$bolo "ue est! ani$ado de un $ovi$iento rotatorio. El aire es co$pri$ido por la continua reducción del volu$en en un recinto =er$#tico. &OE5OE5 OT4TOIO5 5e deno$inan co$presores rotatorios a a"uellos grupos "ue producen aire co$pri$ido por un siste$a rotatorio y continuo* es decir* "ue e$pu2an el aire desde la aspiración =acia la salida* co$pri$i#ndolo. 5e distinguen los siguientes tipos7 &o$presores de tornillo Esencial$ente se co$ponen de un par de $otores "ue tienen lóbulos =elicoidales de engrane constante. La co$presión por $otores paralelos puede producirse ta$bi#n en el sentido a?ial con el uso de lóbulos en espira a la $anera de un tornillo sin +in. 4coplando dos $otores de este tipo* uno conve?o y otro cóncavo* y =aci#ndolos girar en sentidos opuestos se logra desplaar el gas* paralela$ente a los dos e2es* entre los lóbulos y la carcasa. Las revoluciones sucesivas de los lóbulos reducen progresiva$ente el volu$en de gas atrapado y por consiguiente su presión* el gas as6 co$pri$ido es +orado a?ial$ente por la rotación de los lóbulos =elicoidales =asta 1h descarga. &o$presores de paletas desliantes El $otor es e?c#ntrico en relación a la carcasa o el cilindro* y lleva una serie de aletas "ue se a2ustan contra las paredes de la carcasa debido a la +uera centr6+uga. Este tipo de co$presores consiste b!sica$ente de una cavidad cil6ndrica dentro de la cual est! ubicado en +or$a e?c#ntrica un $otor con ranuras pro+undas* unas paletas rectangulares se deslian libre$ente dentro de las ranuras de +or$a "ue al girar el $otor la +uera centr6+uga e$pu2a las paletas contra la pared del cilindro. El gas al entrar* es atrapado en los espacios "ue +or$an las paletas y la pared de la cavidad cil6ndrica es co$pri$ida al dis$inuir el volu$en de estos espacios durante la rotación.
&OE5OE5 5OL4-TE5 5e conocen co$o co$presores de doble $otor o de doble i$pulsor a"uellos "ue traba2an con dos $otores acoplados* $ontados sobre e2es paralelos* para una $is$a etapa de co$presión. /na $!"uina de este tipo $uy di+undida es el co$presor de lóbulos $ayor conocida co$o ZootsZ* de gran a$pliación co$o ali$entador de los $otores diesel o co$presores de gases a presión $oderada. Los $otores* por lo general* de dos o tres lóbulos est!n conectados $ediante engrana2es e?teriores. El gas "ue entra al soplador "ueda atrapado entre los lóbulos y la carcasa: con el $ovi$iento de los $otores de la $!"uina* por donde sale* no pudieron regresarse debido al estrec=o 2uego e?istente entre los lóbulos "ue se desplaan por el lado interno. VE-T4J45 G DE5VE-T4J45 DE LO5 &OE5OE5 &o$presores 4lternativos El uso de lubricantes en los co$presores alternativos el causante de sus principales venta2as y desventa2as. /n co$presor lubricado durara $!s "ue uno "ue no lo est!. ;ay "ue tener cuidado de no lubricar en e?ceso* por"ue la carboniación del aceite en las v!lvulas puede ocasionar ad=erencias y sobrecalenta$iento. 4de$!s* los tubos de descarga saturados con aceite son un riesgo potencial de incendio* por lo "ue se debe colocar corriente aba2o un separador para eli$inar el aceite. Los proble$as $!s grandes en los co$presores con cilindro lubricado son la suciedad y la =u$edad* pues destruyen la pel6cula de aceite dentro del cilindro. En los co$presores sin lubricación la suciedad suele ser el proble$a $!s serio* y =ay otros proble$as "ue puede ocasionar el gas en s6. or e2e$plo* un gas absoluta$ente seco puede ocasionar un severo desgaste de los anillos. &o$presores otatorios El diseo de anillo de agua tiene la venta2a de "ue el gas no =ace contacto con las partes rotatorias $et!licas. Los aspectos cr6ticos son la presión de vapor del gas de entrada* co$parada con la presión de vapor del l6"uido "ue +or$a el anillo de agua y el au$ento de te$peratura en el $is$o. La presión de vapor del +luido para sellos debe ser $uy in+erior al punto de ebullición* por"ue de otra +or$a se evaporara el anillo de agua* ocasionara p#rdida de capacidad y "ui!s serios daos por sobrecalenta$iento.
&o$presores &entr6+ugos Venta2as7 1. En el intervalo de ,.888 a ,88.888 +t(K$in.* y seg9n sea la relación de presión* este co$presor es econó$ico por"ue se puede instalar en una sola unidad. ,. O+rece una variación bastante a$plia en el +lu2o con un ca$bio pe"ueo en la carga. (. La ausencia de pieas rasantes en la corriente de co$presión per$ite traba2ar un largo tie$po entre intervalos de $anteni$iento* sie$pre y cuando los siste$as au?iliares de aceites lubricantes y aceites de sellos est#n correctos. >. 5e pueden obtener grandes vol9$enes en un lugar de ta$ao pe"ueo. Esto puede ser una venta2a cuando el terreno es $uy costoso. @. 5u caracter6stica es un +lu2o suave y libre de pulsaciones. Desventa2as7 1. Los co$presores centr6+ugos son sensibles al peso $olecular del gas "ue se co$pri$e. Los ca$bios i$previstos en el peso $olecular pueden =acer "ue las presiones de descarga sean $uy altas o $uy ba2as. ,. 5e necesitan velocidades $uy altas en las puntas para producir la presión. &on la tendencia a reducir el ta$ao y a au$entar el +lu2o* =ay "ue tener $uc=o $!s cuidado al balancear los $otores y con los $ateriales e$pleados en co$ponentes so$etidos a grandes es+ueros. (. /n au$ento pe"ueo en la ca6da de presión en el siste$a de proceso puede ocasionar reducciones $uy grandes en el volu$en del co$presor. >. 5e re"uiere un co$plicado siste$a para aceite lubricante y aceite para sellos. &o$presores 4?iales La alta e+iciencia y la capacidad $!s elevada son las 9nicas venta2as i$portantes "ue tienen los co$presores de +lu2o a?ial sobre las $a"uinas centr6+ugas* para las instalaciones estacionarias. 5u ta$ao y su peso $enores no tienen $uc=a valor * to$ando en cuenta* sobre todo* el =ec=o de "ue los precios son co$parables a los de las $a"uinas centr6+ugas diseadas para las $is$as condiciones. Las desventa2as incluyen una ga$a operacional li$itada* $ayor vulnerabilidad a la corrosión y la erosión y propensión a las deposiciones.
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