CICLOS DE VAPOR
%"&%'
OM
CICLO CARNOT IDEAL
,-
•
Rendimiento térmico: 𝜂" =
•
Relación de trabajo: 𝑅/ =
•
Es un ciclo impracticable, todos los procesos que ocurren son irreversibles. Sin embargo, su estudio es
muy útil, dado que nos da el valor del rendimiento máximo que se puede obtener de una máquina.
=1−
,)
%"&%'
%"0%'
LA
DD
.C
CICLO RANKINE
()
Rendimiento térmico: 𝜂" =
•
Relación de trabajo: 𝑅/ =
%"&%1
=1−
FI
•
()
23 &24 &|26 &27 |
(23 &26 )
%"&%1
%"0%1
•
Es un ciclo de rendimiento bajo.
CICLO RANKINE CON SOBRECALENTAMIENTO
•
Rendimiento térmico: 𝜂" =
%"&%1
()0():
=1−
23 &24 &|26 &27 |
(23 &26 )
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%"&%1
•
Relación de trabajo: 𝑅/ =
•
Presenta importante irreversibilidad. Sin embargo, para las mismas presiones de caldera y condensador
(igual Tebullición y Tcondensación) tiene mejor rendimiento que un ciclo Rankine.
%"0%1
%";0%"1&%1
OM
CICLO CON SOBRECALENTAMIENTO Y RECALENTAMIENTO INTERMEDIO
•
Rendimiento térmico: 𝜂" =
•
Relación de trabajo: 𝑅/ =
•
Su objetivo es reducir la humedad a la salida de la turbina, aumentando así el rendimiento.
LA
DD
.C
()0(): 0()::
%";0%"1&%'
%";0%"10%'
FI
CICLO REGENERATIVO IDEAL
%"& %1)0%1()
• Rendimiento térmico: 𝜂" =
•
Para conocer la masa de vapor a extraer de la turbina: planteo primer principio en la cámara de mezcla:
Δ𝐻 = 0
1 − 𝑥 @A . ℎD + 𝑥@A . ℎF = 1@A . ℎG
•
Su objetivo es precalentar el agua de entrada a la caldera.
PRINCIPALES IRREVERSIBILIDADES EN LOS CICLOS DE VAPOR:
La fricción del fluido(*) y las pérdidas de calor indeseables hacia los alrededores son las dos fuentes
más comunes.
(*) La fricción del fluido ocasiona caídas de presión. Para compensarlo se requieren presiones más
altas en el bombeo del agua.
Además, en las turbinas, bombas y compresores existen variaciones de entropía entre la entrada y
salida, originando una disminución en el trabajo entregado por la turbina y un incremento en el trabajo
suministrado a la bomba.
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INCONVENIENTE DE UN TÍTULO DE VAPOR BAJO A LA SALIDA DE LA TURBINA:
Un incremento en la presión de la caldera o un descenso en la presión del condensador pueden
provocar una reducción del título de vapor a la salida de la turbina. Si es muy bajo, el impacto de las gotas
de líquido en los álabes de la turbina puede erosionarlos y corroerlos, disminuyendo la eficiencia de la
turbina.
El título de vapor no debe ser menor a 0,9.
AIRE HÚMEDO (Aire seco + vapor de agua)
•
•
OM
TEMPERATURA DE BULBO SECO Y BULBO HÚMEDO:
TBS: temperatura a la que se encuentra una masa de aire húmedo, es decir, la que indica un
termómetro cuyo bulbo se encuentra sin humedecer.
TBH: temperatura que indica un termómetro cuyo bulbo se ha puesto en contacto con un paño
húmedo.
en una mezcla.
LA
DD
.C
HUMEDAD ABSOLUTA (X): relación entre la masa de agua (Mw) y la masa de aire seco (Ma) presentes
𝑋=
𝑚/
𝑝N
= 0,622 .
𝑚;
𝑝" − 𝑝N
HUMEDAD RELATIVA (ϕ): relación entre la presión parcial del vapor en aire húmedo y la presión de
vapor saturado, a la misma temperatura. También se la define como la proporción de vapor contenida en
relación a la necesaria para llegar al punto de saturación).
𝑋
𝑝N
𝜑=
=
≤ 1 100%
𝑋P 𝑝NP
*Para aire seco ϕ=0 y para aire húmedo saturado ϕ=1.
FI
TEMPERATURA DE ROCÍO (Tr): temperatura a la que empieza a condensarse el vapor de agua
contenido en el aire. Cuando el aire se satura (ϕ=1) se llega al punto de rocío.
SOLUCIÓN GRÁFICA PARA ENCONTRAR EL ESTADO DE LA MEZCLA DE CORRIENTES DE
AIRE HÚMEDO:
•
DIAGRAMA DE MOLLIER: en el eje horizontal se lee la X y en el vertical h y T. Se entra con Tbh,
donde corta a la curva de ϕ=100% se traza una recta paralela a la de entalpías hasta cortar Tbs. Así
encuentro el Estado 1 del aire húmedo, a partir del cual se obtienen Xn, ϕn y, con Xn constante,
disminuyendo T se encuentra Tr.
•
DIAGRAMA PSICROMÉTRICO: se entra con Tbh (que es igual a la temperatura del aire de
saturación adiabática) hasta 100% y con la h constante se intersecta a la Tbs. Así se obtiene el
Estado 1 del aire húmedo, donde obtengo el resto de los datos.
PROCESOS PARA DESHUMIDIFICAR EL AIRE HÚMEDO:
•
•
DESHUMIDIFICACIÓN: proceso de retirar el vapor de agua (humedad) contenida en el aire. Es un
proceso a entalpía constante
SECADO Y DESHUMIDIFICACIÓN = SECADO POR ABSORCIÓN: se realiza a temperatura constante y
la humedad absoluta y la relativa disminuyen (Xf <Xi y ϕf<ϕi).
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•
SECADO CON DESHUMIDIFICACIÓN Y CALENTAMIENTO: se enfría el A.H. no saturado hasta una
temperatura por debajo de la de rocío, condensándose así una parte del agua. Luego el aire se
calienta a humedad absoluta constante (X1=X2) hasta alcanzar la temperatura deseada, con menor
humedad relativa (ϕ2<ϕ1).
CICLOS DE MOTORES A GAS-COMBUSTIÓN INTERNA
CLASIFICACIÓN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA:
•
DE ENCENDIDO A CHISPA (DE OTTO): motores a nafta. Se introduce en el cilindro una mezcla de
aire y combustible que es comprimida y, en un momento dado, mediante una chispa eléctrica se
inflama el combustible, luego se expanden los productos de combustión y se los expulsa a la
atmósfera.
DE ENCENDIDO POR COMPRESIÓN: motores Diésel. Se introduce aire en el interior del cilindro y se
comprime. Luego se inyecta combustible que se inflama por la temperatura a la que se encuentra el
aire. Los gases de combustión se expanden y se los expulsa a la atmósfera.
OM
•
LA
DD
.C
FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR CICLO OTTO IDEAL:
*Hipótesis significativas:
1) Suponemos que el flujo es aire (gas ideal) durante todo el circuito.
2) Se reemplaza la combustión por un procesos de adición de calor por una fuente externa.
3) Se sacan los procesos de admisión y escape.
4) Todas las transformaciones son ideales (reversibles).
FI
El ciclo se compone de dos transformaciones adiabáticas y dos isométricas, y puede ser de dos o
cuatro tiempos. El ciclo consta de cuatro procesos internamente reversibles y en serie:
• (0-1) Admisión: aspiración de la carga (combustible + aire).
• (1-2) Compresión adiabática del aire. El pistón evoluciona desde el PMI hasta un PMS.
• (2-3) El aire absorbe calor a volumen constante, dando lugar a la ignición (inicio de combustión).
• (3-4) Expansión isoentrópica, hasta alcanzar el volumen máximo V1=V4.
• (4-1) Escape: se produce un descenso de presión y de temperatura a volumen constante. Luego el
émbolo expulsa los productos de la combustión.
*Trabajo pero no transferencia de calor: 1-2 y 3-4. Transferencia de calor pero no trabajo: 2-3 y 4-1.
RELACIÓN DE COMPRESIÓN (ε) EN UN CICLO OTTO. RENDIMIENTO TÉRMICO:
•
Relación de compresión: relación entre el volumen total del cilindro (V1=V4) y el volumen de la
T)
cámara de combustión: 𝜀 =
T-
*A mayor ε, mayor es el rendimiento térmico pero existe una limitación práctica dada por el fenómeno
de detonancia, que se produce al aumentar ε. El fenómeno consiste en un autoencendido y una
combustión anticipada, provocando una onda de choque que golpea al pistón y reduce su potencia.
•
Rendimiento térmico: 𝜂" = 1 −
)
UVW6
*K: coeficiente adiabático.
CICLO REAL DE UN MOTOR CICLO OTTO. DIFERENCIA CON CICLO REAL:
𝐿ú𝑡𝑖𝑙 = 𝐿𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 − 𝐿 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑒𝑜
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OM
• No se pueden alcanzar mayores rendimientos. El calor
específico a volumen constante es distinto al variar los límites
extremos de las temperaturas y, sobre todo, por ser distintos los
fluidos que combustionan.
• La admisión no se realiza a presión constate.
• La combustión no es instantánea.
• La mezcla aire-combustible no es homogénea.
FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR CICLO DIESEL IDEAL:
LA
DD
.C
*Permite obtener relaciones de compresión más elevadas que el ciclo Otto, lo cual supone un aumento del
rendimiento térmico.
El ciclo Diesel se compone de dos transformaciones adiabáticas, una isobara y una isocora.
• (0-1) En el primer tiempo se produce la admisión de una carga de aire.
• (1-2) En el segundo tiempo se comprime adiabáticamente y el aire alcanza unos 800°C.
• (2-3) En el tercer tiempo se inyecta el combustible líquido pulverizado, produciéndose la combustión,
por la temperatura elevada a la que se encuentra el aire. Esto se realiza a presión constante.
• (3-4) A continuación se realiza la expansión adiabática de los productos de la combustión, hasta que el
émbolo llega al PMI.
• (4-1) En el cuarto tiempo se abre la válvula de escape, produciéndose un descenso de presión y un
enfriamiento a volumen constante. Luego se expulsan los productos de combustión (1-0).
*Un elevado cruce de válvulas (las dos abiertas al mismo
tiempo) mejora las prestaciones de motores que trabajan a
alto régimen de revoluciones pero dificulta la puesta en
marcha.
FI
DIAGRAMA CIRCULAR PARA UN MOTOR DE 4 TIEMPOS:
MOTOR DE DOS TIEMPOS:
•
Ventajas:
o Mayor simplicidad constructiva.
o Mitad de cilindros que uno de 4 tiempos.
o Pueden funcionar en cualquier sentido de giro.
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•
Desventajas:
o Menor rendimiento térmico.
o Funcionamiento irregular a bajos regímenes.
o Menor potencia.
o Mayores solicitaciones mecánicas.
RELACIÓN DE COMPRESIÓN Y DE INYECCIÓN DE UN CICLO DIESEL. RENDIMIENTO
TÉRMICO:
T)
•
Relación de compresión: 𝜀 =
•
Relación de inyección: 𝜑 =
•
Rendimiento térmico: 𝜂" = 1 −
T-
Td V &)
@.e VW6 .(d&))
DIFERENCIAS CICLO DIESEL IDEAL CON REAL:
Las presiones de admisión son algo inferior y las de escape superior a la Patm exterior.
Es difícil mantener la combustión a Pcte.
La apertura y cierre de válvulas es progresivo.
LA
DD
.C
•
•
•
OM
TF
PRESIÓN MEDIA EFECTIVA (Pme): presión para comparar los rendimientos de máquinas de igual
tamaño. A mayor Pme, se entrega más trabajo por ciclo (Wn).
𝑃𝑚𝑒 =
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜
∆𝑉
FUNCIONAMIENTO DE UN CICLO JOULE-BRAYTON IDEAL:
FI
El gas en el estado 1 ingresa a un compresor adiabático que le incrementa la presión hasta el estado
2. En un intercambiador de calor a Pcte recibe calor Q1 hasta el estado 3. Luego se expande
adiabáticamente en una turbina hasta el estado 4. Completando el ciclo con un intercambiador de calor en
el cual a Pcte se le quita Q2.
El ciclo de expansión completa no es posible realizarlo en motores alternativos, pero sí en
instalaciones con turbinas de gas.
k-
Relación de presiones: 𝑅𝑝 =
•
Rendimiento térmico :𝜂" = 1 −
•
k)
)
VW6
(
)
lk V
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RELACIÓN ÓPTIMA DE PRESIONES:
El rendimiento depende únicamente de la Rp, si esta aumenta, el rendimiento aumenta. Pero,
fijada la temperatura de entrada a la Turbina, al crecer Rp, disminuye el trabajo neto del ciclo.
Para valores fijos de Tmín y Tmáx, el trabajo neto del ciclo aumenta primero con la Rp, luego
alcanza un máximo (Rp óptimo) y finalmente disminuye.
𝑝2 𝑝3
𝑅𝑝 =
=
𝑝1 𝑝4
𝑅𝑝ók"pq;
𝑇3
=
𝑇4
@
-(@&))
OM
PRINCIPALES IRREVERSIBILIDADES DEL CICLO BRAYTON REAL:
Existen irreversibilidades tanto en el compresor como en la turbina, donde el fluido presenta un
aumento de entropía.
También pueden existir caídas de presión al atravesar los intercambiadores de presión.
FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA DE GAS A CICLO ABIERTO:
Rendimiento térmico: 𝜂" = 1 −
)
VW6
)
lk V
(
FI
•
LA
DD
.C
*En ellas no se describe un ciclo termodinámico.
Constan de un compresor, que comprime aire que toma de la atmósfera y envía a una cámara de
combustión. Allí se realiza la combustión a Pcte. Los gases de combustión se expanden en la turbina y
escapan a la atmósfera.
La instalación es menos costosa, dado que no requiere de intercambiadores de calor, pero no
puede emplearse cualquier combustible.
CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN:
En el ciclo Brayton normal, muchas veces, la temperatura de los gases de escape supera a la
temperatura del aire a la salida del compresor. Con este ciclo es posible mejorar el rendimiento
intercalando entre la cámara de combustión y el compresor un precalentador, donde se precaliente el aire
con los gases de escape.
•
Rendimiento térmico: 𝜂" =
,)
,s
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FUNCIONAMIENTO DE UN CICLO COMBINADO:
Existe, por un lado, un ciclo Brayton a ciclo abierto. Los gases de escape que salen de la turbina son
enviados a un intercambiador de calor, a través del cual se le entrega el calor de los gases a un ciclo de
vapor. Luego los gases son liberados a la atmósfera.
COMPRESORES ALTERNATIVOS
OM
ESPACIO NOCIVO DE UN COMPRESOR ALTERNATIVO:
En la práctica, el pistón no toca la pared del cilindro, sino que queda un pequeño espacio entre el
pistón y la pared de las válvulas, al cual se lo conoce como espacio nocivo.
RENDIMIENTO DE UN COMPRESOR ALTERNATIVO: (indica qué parte de la carrera del pistón se utiliza para
aspirar una masa de gas).
𝑉𝑎
𝜂" =
𝑉𝑏
LA
DD
.C
Va: Volumen aspirado,
Vb: Volumen barrido.
*Si aumenta la presión: disminuye Va entonces el rendimiento cae. Y viceversa.
FI
DIAGRAMA P-v DE UN COMPRESOR ALTERNATIVO CON ESPACIO NOCIVO:
•
TRANSMISIÓN DE CALOR
CONDUCCIÓN: la diferencia de temperatura entre dos sólidos en contacto provoca el pasaje de calor
de la zona de mayor temperatura a la de menor. No hay desplazamientos relativos de las partículas de
los cuerpos.
•
CONVECCIÓN: tiene lugar cuando un sólido a cierta temperatura está en contacto con un fluido
(líquido o gaseoso) a distinta temperatura.
•
RADIACIÓN: por vibraciones electromagnéticas transmitidas a través del vacío, de gases y del aire.
Tiene una característica fundamental que lo diferencia de los anteriores: para producirse no es
necesario ni el contacto de los cuerpos que intervienen ni la presencia de materia entre ellos.
Todo cuerpo cuya temperatura es superior al cero absoluto emite energía radiante, a expensas de la
energía interna del cuerpo, cuya temperatura disminuye.
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LEY DE FOURIER:
Establece que el flujo de transferencia de calor por conducción en un medio isótropo (donde el
calor se transmite igual en todas direcciones), es proporcional y de sentido contrario al gradiente de
temperatura en esa dirección.
COEFICIENTE DE CONDUCTIVIDAD TÉRMICA:
OM
Flujo de calor por unidad de gradiente de temperaturas en dirección normal a la superficie de
transferencia.
Mide la aptitud de un cuerpo para permitir el pasaje de calor a través de él.
𝑞
𝜆=
∆𝑡
∆𝑛
TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONDUCCIÓN A TRAVÉS DE UNA PARED PLANA A RÉGIMEN
PERMANENTE. CALCULAR Q: (en régimen estacionario)
𝑄=
x .y .("6 &"3 )
z
(Ley de Fourier)
será la misma)
LA
DD
.C
ÍDEM PARA UNA PARED COMPUESTA: (la cantidad de Q que pasará por hora de una capa a otra
𝑄=
𝜆) . (𝑡) − 𝑡- ) 𝜆- . (𝑡- − 𝑡F ) 𝜆F . (𝑡F − 𝑡{ )
=
=
𝑒)
𝑒𝑒F
TRANSMISIÓN DE CALOR POR CONVECCIÓN. LEY DE NEWTON:
Entre un sólido y un fluido la transmisión de calor por convección es proporcional a la diferencia de
temperaturas, a la superficie considerada y a un coeficiente propio de las condiciones en que se opere.
𝑄 = 𝛼. 𝑆 . 𝑡) − 𝑡- [Q]=Kcal/h
FI
Coeficiente de Convección: depende de la T, la viscosidad del
fluido, la velocidad (si el movimiento es forzado), la P, etc.
Influye, además, el hecho de que el fluido cambie o no de estado.
TRANSMISIÓN DE CALOR POR RADIACIÓN. LEY DE STEFAN-BOLTZMANN:
Dice que el poder emisivo (emitancia) del cuerpo negro depende exclusivamente de su temperatura
absoluta, y es proporcional a la cuarta potencia de la misma.
𝑇 {
𝐸𝑛 = 4,96 .
100
𝑄 = ē .𝐴 .𝐶
𝑇1
100
{
−
𝑇2
100
{
CUERPO NEGRO: aquel que tiene el máximo poder de emisión y recepción (emite y recibe ē=1) .
*Recibe este nombre ya que las superficies negras suelen tener poderes absorbentes muy altos.
INTERCAMBIADOR DE CALOR A CORRIENTES PARALELAS Y A CONTRACORRIENTE:
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DIFERENCIA MEDIA LOGARÍTMICA DE TEMPERATURA:
∆𝑇𝑒 − ∆𝑇𝑠
∆𝑇𝑒
ln
∆𝑇𝑠
OM
∆𝑇𝑚 =
𝑄 = 𝑘 . 𝐴 . ∆𝑇𝑚
LA
DD
.C
COMBUSTIÓN
COMBUSTIÓN, DEFINICIÓN: reacción química entre cada uno de los elementos que constituyen el
combustible con el oxígeno del aire. Dichos elementos pueden ser activos (H y C), inertes (N2) o
indeseables (Sodio).
COMBUSTIÓN PERFECTA O ESTEQUEOMÉTRICA: irrealizable en la práctica. Es una perfecta
oxidación que se realiza con la cantidad teórica de aire. Es decir, con la cantidad que arroja el cálculo
estequeométrico.
COMBUSTIÓN COMPLETA: cuando el combustible es quemado en su totalidad, perfecta o
FI
imperfectamente.
COMBUSTIÓN IMPERFECTA: cuando una parte del combustible que entra en reacción se oxida en
grado inferior al máximo (CO en lugar de CO2). Se debe a:
• La cantidad de aire introducido en la cámara de combustión es insuficiente para conseguir una
combustión perfecta.
• La cantidad de aire es suficiente, pero el aire se pone en contacto con el combustible sólo en una
mezcla insuficiente.
COMBUSTIÓN INCOMPLETA: cuando, por alguna razón, una parte del combustible escapa a la
reacción.
COMPONENTES ACTIVOS, INERTES E INDESEABLES DE UN COMBUSTIBLE:
•
•
ACTIVOS: como el H o C. Al oxidarse con el oxígeno del aire, producen una reacción exotérmica.
INERTES: no forman parte activa de la combustión, como O2, N2, etc., pero pueden contener los
combustibles.
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•
INDESEABLES: como el vanadio o sodio a altas temperaturas o el azufre a bajas temperaturas.
RENDIMIENTO DE UN HOGAR O CÁMARA DE COMBUSTIÓN:
Relación entre el calor que participa realmente en el ciclo de calor y el generado por la combustión:
𝑄𝑎 𝑄𝑏 − 𝑄𝑝
𝑄𝑝
𝜂‡ˆ =
=
=1−
𝑄𝑏
𝑄𝑏
𝑄𝑏
PODER CALORÍFICO SUPERIOR E INFERIOR DE UN COMBUSTIBLE:
PODER CALORÍFICO SUPERIOR: es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa
del combustible, cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado. Así se
contabiliza el calor desprendido en el cambio de fase.
•
PODER CALORÍFICO INFERIOR: es la cantidad total de calor deprendido en la combustión compuesta
del combustible, sin contar la parte correspondiente al calor latente de vapor de agua de la
combustión, ya que no se produce cambio de fase, sino que se expulsa en forma de vapor.
OM
•
DIAGRAMA DE OSTWALD:
LA
DD
.C
Permite conocer las características de la combustión de
un determinado combustible, a partir de los datos
obtenidos en el análisis de los gases. Para establecer la
composición de los productos se puede utilizar un
analizador de gas denominado Aparato de “ORSAT”. Este
establece los % de CO2, O2 y CO existentes en los
productos de combustión.
FI
A: combustión completa.
B: combustión imperfecta.
C: combustión incompleta.
D: combustión perfecta.
DE QUÉ DEPENDE EL EXCESO DE AIRE EN UNA COMBUSTIÓN: del tipo de combustible que se
trate de quemar, fundamentalmente de sus características físicas y químicas.
TIPOS DE COMBUSTIBLES:
•
•
•
•
Celulósicos (19.000 KJ/Kg)
Carbón (27.000 KJ/Kg)
Fuel-Oil (44.000 KJ/Kg)
Gas natural (42.000 KJ/Kg)
CALDERAS
CALDERAS HUMOTUBULARES:
•
Son empleadas en el rango de presiones entre 5 a 30 kg/cm2 y producciones que van de 1 a 28 t/h.
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•
•
Están constituidas por un recipiente que contiene agua en ebullición y que es atravesado por tubos,
por el interior de los cuales circulan los gases, producto de la combustión. La combustión se genera en
el hogar, que constituye el primer pasaje de gases. Aquí la transmisión de calor se realiza
principalmente por radiación. Para su mayor aprovechamiento térmico, los gases son conducidos a un
segundo pasaje de gases y, la mayoría de los generadores humotubulares incorporan un tercer pasaje.
Ventajas: mayor vida útil, menos costos de mantenimiento, control automático sencillo, inversión
inicial menor.
En su diseño la presión es un limitante, dado que puede llegar, por la presión interna, a provocar una
rotura.
CALDERA ACUOTUBULAR TIPO A:
•
•
•
•
Son construidas a partir de 10 t/h de vapor.
Está constituida de un domo superior y dos inferiores. Operan con circulación
natural y son aptas para quemar combustible sólido, líquido o gaseoso (gas
natural).
Producción de vapor: 10 a 110 t/h.
Presión de vapor: 10 a 110 kg/cm2.
Temperatura: 310 °C.
Ventajas respecto a D: facilita la fabricación y montaje, por su condición
simétrica; dilataciones y temperatura uniformes en todas las secciones
transversales del hogar.
LA
DD
.C
•
•
OM
•
CALDERA ACUOTUBULAR TIPO D:
•
•
•
Constituida por dos domos y tubos curvados verticales. Se utiliza para quemar
combustible gaseoso o líquido. De circulación natural, diseñada para
combustión presurizada.
Producción de vapor: 10 a 260 t/h.
Temperatura del vapor saturado: 310°C.
Presión del vapor: 10 a 110 kg/cm2.
FI
•
CALDERA ACUOTUBULAR TIPO V:
•
•
•
•
•
Muy versátil. Diseñada para poder quemar petróleo, gas natural y diversos gases residuales.
Producción de vapor: 60 t/h.
Temperatura de vapor sobrecalentado: hasta 540°C.
Presión del vapor: 130 kg/cm2 (hasta).
De circulación natural. Constituida por dos domos. Los gases de combustión entran al haz de tubos a
una temperatura uniforme a todo lo ancho de la unidad. La superficie de convección de la caldera está
provista de diafragmas transversales para asegurar la distribución pareja de la corriente de gas y para
obtener la transmisión de calor más eficiente con la menor pérdida de tiraje. Con la construcción de
paredes soldadas de la caldera, no se requiere ya más que la cubierta exterior esté diseñada para
soportar la presión interna de la cámara de combustión.
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CALDERA ACUOTUBULAR TIPO RADIANTE:
•
•
•
•
•
“Radiante” deriva del hecho de que en este tipo de caldera la absorción de calor se da a través de
transferencia de energía radiante.
Utilizadas fundamentalmente en la generación de energía eléctrica y en grandes plantas industriales.
Producción de vapor: 135 a 3.000 tn/h (o más).
Temperatura de vapor sobrecalentado y recalentado: 545°C.
Presión de vapor: 100 a 180 kg/cm2.
CALDERAS DE CIRCULACIÓN NATURAL Y ASISTIDA:
OM
•
Circulación asistida: aquellas calderas que trabajan a presión subcrítica y que disponen de una bomba
para lograr la circulación en el circuito agua-vapor del hogar.
Circulación natural: en los tubos ascendentes de un generador de vapor en funcionamiento, circula
agua saturada-vapor que tiene un peso específico menor que el agua saturada que se desplaza por los
tubos descendentes. Estos están ubicados en una zona más fría del hogar. Este desequilibrio da origen
a la circulación natural dentro del generador de vapor.
LA
DD
.C
•
CALDERA DE PASO FORZADO:
•
•
•
•
•
Funcionamiento: el fluido (agua) es bombeado dentro de la unidad de estado líquido pasando a través
de todas las superficies de calefacción, donde se convierte en vapor, a medida que absorbe calor,
saliendo de la unidad como vapor sobrecalentado a la temperatura de consigna.
Ventajas: circulación real, construcción compacta, flexibilidad en la operación, factor de seguridad
mejorado.
Desventajas: demanda de mayor trabajo de la bomba de alimentación, necesidad indispensable de los
circuitos de control en automático, exige una alta pureza del agua de alimentación.
Producción de vapor: 135 a 4500 tn/h.
Temperatura de vapor sobrecalentado y recalentado: 545°C.
Presión del vapor: 160 ata (en régimen subcrítico) y 230-280 ata (reg. Supercrítico).
FI
•
CALDERA BENSON: por encima de la presión crítica, el agua pasa en forma inmediata al estado de
vapor seco, de esta manera se puede sortear el estado intermedio de doble faz durante la evaporación
y renunciar el domo como recipiente de separación del agua y del vapor. Su punto de evaporación no
es fijo.
CALDERA SULZER: la distribución del fluido se efectúa cuando aún se trata de agua pura sin burbujar
de vapor. El punto de evaporación para instalaciones subcríticas es fijo (en el botellón).
CALDERA RAMSIN: caldera de tubo continuo similar a la Sulzer.
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BENSON
SULZER
RAMSIN
•
•
OM
FUNCIONES QUE CUMPLE EL DOMO EN UNA CALDERA ACUOTUBULAR:
Separar el vapor de la mezcla vapor-agua que ingresa al mismo.
Alojar los equipos destinados a la purificación del vapor, luego de que el mismo es separado del agua.
SOBRECALENTADORES:
Su función es elevar la temperatura del vapor por encima del nivel de saturación.
Los medios más usados para el control de la temperatura del vapor:
o Sistema de gobernabilidad del fuego.
o Atemperación (contacto directo o indirecto).
o Recirculación de gases.
o Otros.
LA
DD
.C
•
•
SOBRECALENTADOR CONVECTIVO: para temperaturas de salida relativamente bajas. La circulación vaporgases es en contracorriente (el vapor ingresa por abajo y sale por arriba y los gases en sentido opuesto),
esto permite una máxima diferencia de temperatura promedio y minimiza la superficie de calefacción.
SOBRECALENTADOR RADIANTE: altas temperaturas finales del vapor. Mayor requerimientos de superficie.
Circulación vapor-gases de combustión a corrientes paralelas. Intercambio de calor más moderado.
•
Absorbe calor sensible de los gases de combustión para entregárselo al agua de alimentación antes que
la misma ingrese a la caldera.
Consigue bajar la temperatura de los gases y aumenta el rendimiento del generador de vapor.
Existen dos tipos: economizador integral y economizador adyacente.
•
•
FI
FUNCIONES QUE CUMPLE UN ECONOMIZADOR DE UNA CALDERA:
FUNCIONES QUE CUMPLE EL PRECALENTAMIENTO DE AIRE EN UNA CALDERA:
•
Aprovechar el calor contenido en los gases de escape para calentar el aire que se utilizará comburente,
retornando de este modo una parte del calor al horno, para su aprovechamiento en el proceso.
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•
•
Aumento del rendimiento con un menor consumo de combustible.
Aumento en la producción del equipo.
PRECALENTADOR RECUPERATIVO: intercambio a través de una pared que separa dos fluidos.
PRECALENTADOR REGENERATIVO: cuerpo rotativo constituido por chapas metálicas que son expuestas
alternativamente al flujo de gases calientes y al aire frío.
OM
CONDENSADORES: son la fuente fría y refrigerante del ciclo térmico. Deben cumplir las siguientes
funciones:
o Recuperar como agua de condensación el vapor que sale de la turbina.
o Aumentar el área del ciclo funcional, mejorando su rendimiento, al provocar que el vapor se
expanda hasta un valor de presión inferior a la atmosférica, con lo que se aumenta el salto
entálpico de la turbina y así alcanzar la misma potencia con menor cantidad de vapor.
o Extraer los gases no condensables.
o Formar conjuntamente con el desgasificador y el domo de la caldera, una reserva de agua capaz de
enfrentar variaciones bruscas de carga.
FI
LA
DD
.C
CONDENSADORES DE MEZCLA:
• Formado por un recipiente en el cual el gasto de vapor se condensa al enfrentar un gasto de agua en
forma de lluvia. La cantidad de agua para producir la condensación es de 25-35 lt/kgvapor.
• Puede ser a contracorriente o de corrientes continuas paralelas. El sistema a contracorriente presenta
algunas ventajas respecto al otro:
o Menor consumo de agua refrigerante y menor cantidad de aire a extraer, lo que implica un
menor consumo de potencia eléctrica.
CONDENSADOR DE SUPERFICIE:
Es el más utilizado en los ciclos térmicos. La cantidad de agua par producir la condensación es el de 7090lt/kg.
Pueden ser enfriado por agua o por aire:
• ENFRIADO POR AIRE: la única cantidad de agua que necesita el ciclo térmico, es el agua de reposición,
debido a las fugas. Por tal motivo, la utilización del enfriado por aire es cada vez más usual.
•
ENFRIADO POR AGUA: son los más utilizados para pequeña, mediana y gran potencia de las
instalaciones termoeléctricas. En este condensador, el agua de enfriamiento es separada del vapor por
medio de una superficie metálica, a través de la cual se produce intercambio de calor.
TURBINAS DE VAPOR
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TOBERAS:
Conducto que guía y acelera un fluido mientras se produce la conversión de entalpía a energía cinética
(-Δh = ΔEc). Cae la presión y la entalpía y crece la velocidad, esto indica un derrame acelerado.
La velocidad crítica en la garganta, o sección crítica, es la velocidad del sonido.
El punto de remanso es aquel en el que las partículas del fluido no se mueven.
•
•
•
•
•
Si pe>pc>pf, corresponde a una tobera convergente-divergente, en que se acelerará el fluido desde una
velocidad subsónica hasta una supersónica a la salida.
Si pe>pf>0=pc, corresponde a una tobera convergente, la circulación será subsónica.
Si pc>pe>pf, corresponde a una tobera divergente, el fluido circula a velocidades supersónicas.
•
Rendimiento de una tobera: 𝜂 ,‰Š = 𝜑 -
(ϕ: coeficiente de pérdidas de velocidad).
OM
•
TURBINAS DE ACCIÓN:
•
•
LA
DD
.C
Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a través de las toberas fijas hasta alcanzar las palas,
que absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar el rotor y al eje
al que está unido.
Las turbinas de acción habituales tienen varias etapas, en las que la presión va disminueyendo en cada
una de ellas.
Œ
Ecuación de Euler: 𝐹 = . ∆𝐶
•
A
TURBINA DE REACCIÓN VS. TURBINA DE ACCIÓN:
TURBINA DE REACCIÓN
•
•
•
•
•
TURBINA DE ACCIÓN
La entalpía cae en los álabes móviles o en ambos
(fijos y móviles).
Eficiencia máxima cuando: C = u.
Bajas pérdidas por rozamiento.
Mayor número de etapas (por salto entálpico
pequeño).
Rotor más largo.
•
•
•
La entalpía cae sólo en los álabes fijos o en la
tobera.
Eficiencia máxima cuando: C = 2u.
Pérdidas por rozamiento mayores (por alta vel.).
Mayor salto entálpico por etapa.
•
Rotor más corto.
•
FI
GRADO DE REACCIÓN:
𝜃=
ℎ𝑝 𝑆𝑎𝑙𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡á𝑙𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑑𝑜
=
ℎ
𝑆𝑎𝑙𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑡á𝑙𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
θ=0 => acción pura.
θ=1 => reacción pura.
SISTEMAS PARA LA REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD DE LA TURBINA:
Cuando la exigencia de velocidad constante es crítica y la carga es variable, se debe actuar contra el
suministro de vapor. Los sistemas para regularla pueden ser:
• Mecánicos: por medio de palancas sobre la válvula de alimentación de vapor.
• Hidráulicos: uso de regulador centrífugo.
• Electrónicos: con una corona dentada montada sobre un eje, la cual da señales a un sensor capacitivo o
inductivo.
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CICLOS FRIGORÍFICOS
MÁQUINAS FRIGORÍFICAS:
Su misión es transportar calor de una fuente fría a otra de mayor temperatura, lo que se puede
lograr de distintas maneras con:
• Máquinas frigoríficas de compresión: entregando trabajo.
• Máquinas frigoríficas de absorción: se utiliza un refrigerante que es más soluble en un absorbente
frío que en uno caliente, como sucede con el amoníaco o algunas sales cuando se disuelven en
agua.
OM
EFECTO FRIGORÍFICO: cantidad de calor que absorbe el refrigerante para evaporarse:
PODER REFRIGERANTE: 𝑞- = ℎ- − ℎ)
LA
DD
.C
COEFICIENTE DE EFECTO FRIGORÍFICO (C.O.P.):
La cantidad de calor extraída a la fuente fría se llama poder refrigerante (q2). Al relacionarla con el
trabajo mecánico (W) entregado al ciclo se obtiene el C.O.P.:
𝑞𝑞𝜀• =
=
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑞) − 𝑞*εmáx está dado por una máquina ideal (Carnot): 𝜀• =
,3
,6 &,3
PROBLEMAS QUE PUEDE GENERAR LA HUMEDAD EN UN CIRCUITO FRIGORÍFICO:
• La presencia de humedad va a provocar numerosos problemas que en algún momento harán necesario
abrir el sistema para ser separado. Una vez abierto el circuito, el riesgo de fuga de refrigerantes
aumenta considerablemente.
• Entre los efectos de la presencia de humedad: obstrucciones, motor de compresor en cortocircuito o
quemado, deterioro del lubricante, corrosión, etc.
FI
PRINCIPALES REFRIGERANTES:
• El R22 es un gas incoloro comúnmente utilizado para los equipos de refrigeración, en principio, por su
bajo punto de fusión (-157°C).
• R-134a.
• R-717.
CICLO CARNOT IDEAL:
•
Impedimentos: en la práctica se prefiere no recuperar el trabajo perdido por los inconvenientes
mecánicos que ello representa, y se recurre a una solución más simple.
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OM
CICLO CON UNA COMPRESIÓN A RÉGIMEN SECO:
LA
DD
.C
CICLO CON UNA COMPRESIÓN Y SUBENFRIAMIENTO:
FI
CICLO CON UNA COMPRESIÓN, SUBENFRIAMIENTO E INTERCAMBIADOR DE CALOR:
CICLO CON DOBLE COMPRESIÓN A RÉGIMEN SECO:
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OM
CICLO CON DOBLE COMPRESIÓN Y ENFRIAMIENTO INTERMEDIO:
FI
LA
DD
.C
CICLO CON DOBLE COMPRESIÓN Y DOBLE EVAPORACIÓN:
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