PROCESOS INDUSTRIALES – TERMODINAMICA

TERMODINAMICA

PROCESOS INDUSTRIALES

DIEGO FERNANDO QUINTERO SIERRA

EDWIN MARTINEZ GONZALEZ

JAIME QUINTERO

ISAI JIMENEZ

ING. JHON VICTOR VIDAL

INGENIERÍA  INDUSTRIAL

IV SEMESTRE

CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DEL CARIBE – CECAR

SINCELEJO – SUCRE

2012

¿QUE ES UNA CALDERA?

Es un recipiente a presión diseñado para generar vapor de agua, absorbiendo el calor liberado en la combustión de un combustible o también de gases calientes provenientes de un proceso externo o de elementos eléctricos.

Partes De Una Caldera

  • partes de presión, incluyendo superficies de calentamiento
  • conexiones para entradas y salidas tanto de agua como vapor
  • hogar
  • conexiones para el manejo de aire y gases
  • aislamientos y refractarios
  • soportes estructurales
  • estructura de soporte para el equipo de combustión y auxiliares
  • tapas para inspección y accesos
  • válvulas y accesorios
  • sistemas de control
  • chimenea

Capacidad de producción de una caldera

  • La capacidad de generación de vapor se da frecuentemente en libras de vapor por hora, pero como quiera que el vapor a distintas presiones y temperaturas posee diferentes cantidades de energía, este sistema no mide exactamente la energía producida.
  • Por lo anterior la capacidad de una caldera de vapor se expresa más concretamente en forma de calor transmitido a través de su superficie en btu/hora
  • Para unidades pequeñas se utiliza el concepto de caballo de calderas o bhp (boiler horse power), el cual equivale a 33.475 btu/h  definido por la asme en el año de 1889

 

Tipos de calderas

Pirotubulares

  • Cámara
  • Parrilla

Acuatubulares

  • circulación normal
  • circulación contralada
  • circulación forzada

 

Calderas Pirotubulares

 

Se denominan pirotubulares por que los gases calientes procedentes de la combustión de un combustible, circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua de la caldera.

Como se utiliza

 

El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción y convección.

Las calderas pirotubulares se fabrican en capacidades que van desde 1 bhp hasta aproximadamente 900 bhp, en unidades estandarizadas de 5, 10, 20, 40, 100, 200 y más bhp. Las presiones de operación más comunes son de 150 psi y 250 psi aun cuando pueden trabajar a presiones más bajas.

Son de bajo costo ya que su fabricación es muy sencilla y se utilizan para quemar combustibles gaseosos, líquidos y sólidos.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS CALDERASPIROTUBULARES

Ventajas

 

  • Menor costo de fabricación
  • Se construyen en tamaños relativamente pequeños para su manejo e instalación
  • Son portátiles
  • Fácil mantenimiento
  • Almacenan gran volumen de agua
  • Soportan fluctuaciones en la demanda de vapor

Desventajas

  • Presentan limitaciones para altas presiones
  • Producción de vapor relativamente reducida
  • Espacio limitado para la instalación de equipos auxiliares como supercalentadores

Formas De Transferencia De Calor En La Caldera 

 

Llevar el calor desde el hogar donde se quema el combustible, hasta el agua que se encuentra dentro de la caldera presenta el problema de la transferencia de calor. El calor puede transferirse de un punto a otro por tres métodos distintos: radiación, convección y conducción. Las calderas están diseñadas de manera que utilicen perfectamente los tres métodos

 

Radiación

Es el fenómeno de transferir el calor en forma de ondas similares a las ondas de radio y de la luz. Así como la luz estas ondas pasan libremente por el aire y otras materias transparentes sin efecto aparente en ellas.

Las llamas del combustible ardiendo dentro del hogar en todas direcciones, de este calor radiante un gran porcentaje pasa directamente de la llama a la superficie de calefacción de la caldera, donde es absorbido.

Convección

La transferencia de calor por convección se debe al movimiento del fluido. El fluido frío adyacente a superficies calientes recibe calor que luego transfiere al resto del fluido frío mezclándose con él. La convección libre o natural ocurre cuando el movimiento del fluido no se complementa por agitación mecánica. Pero cuando el fluido se agita mecánicamente, el calor se transfiere por convección forzada.

Conducción

Se efectúa cuando se transmite energía por contacto directo entre las moléculas de 2 o más cuerpos que se encuentran en buen contacto térmico entre sí; o sea que las moléculas calentadas comunican su energía a las otras que se encuentran inmediatamente adyacentes a ellas. En general, los sólidos conducen calor mejor que los líquidos y los líquidos mejor que los gases. Esto se explica debido a la diferencia de estructura molecular, puesto que las moléculas de un gas al encontrarse muy separadas, la transferencia de calor de molécula a molécula se torna más difícil.

 

 

Calderas acuatubulares

 

 

 

En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a través del calderín o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera.

Constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustión del combustible y constituyendo la zona de radiación de la caldera.

Cuando se requieren presiones superiores a 300 psi se hace indispensable la utilización de las calderas acuatubulares aun cuando pueden operar des de 120 psi en adelante.

Las capacidades de estas calderas se acercan a los 10 millones de libras por hora y presiones de 2500 psi.

Las capacidades de estas calderas no se acostumbran a medirlas en bhp, normalmente se expresan en lb/hr de vapor producido o en btu/hora.

En este tipo de calderas además el hogar (recinto donde se produce la combustión) está conformado por paredes de tubos de agua. En ellas el intercambio es básicamente por radiación desde la llama.

 

EJEMPLO DE CALDERA

 

 

Caldera Cleaver Brooks CB-100-15.

 

Las pérdidas de calor en la caldera se dan por medio de radiación y convección. Para determinar estas pérdidas se realizan mediciones puntuales de la temperatura en la capa exterior de la caldera, es decir de las paredes del sistema. Se utiliza para ello un pirómetro. Además,  se  mide  la  concentración  de  carbono  presente  en  los  gases  de  combustión generados por el diesel utilizado para el funcionamiento del equipo. Esta medición de los gases de combustión es necesaria para conocer la eficiencia de la caldera, ya que permite establecer la transferencia exacta de calor al agua para producir vapor.

La caldera requiere de 45 minutos de precalentamiento, para poder iniciar la práctica que consiste en tomar datos necesarios para los cálculos de la eficiencia del equipo. Una vez realizadas las mediciones y la práctica de la caldera, se procede a desarrollar un caso de estudio, sobre los datos obtenidos, para determinar la temperatura del agua correspondiente al make up, la eficiencia de combustión en la caldera, la eficiencia de caldera, las libras de vapor generadas por hora junto con el costo de la generación del mismo tomando en cuenta el precio de galón de Q22, el costo de producción de vapor de 1000 lbs. y por último, el factor de vaporización y su significado.

 

 

INTERCAMBIADOR DE CALOR

Sección de un intercambiador de calor de tipo haz tubular.

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera o que se encuentren en contacto. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes nombres:

  • Intercambiador de Calor: Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos.
  • Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores.
  • Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua.
  • Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.
  • Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de reebulición que se necesita para la destilación. (Los hay de termosifón, de circulación forzada, de caldera,…)
  • Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.

 


TIPOS DE INTERCAMBIADORES

Los intercambiadores de casco y tubo de TEMA descritos a continuación tienen la siguiente descripción de sus componentes principales:

  • Intercambiador de cabezal flotante interno (tipo aes)

 


 

Es el modelo más común, tiene casco de un paso, tubos de doble paso con canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo de apoyo. Tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus características son:

1.- Permite la expansión térmica de los tubos respecto al casco.

2.- Permite el desmontaje

3.- en lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos.

4.- Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separación modifican la velocidad en el casco y su pérdida de carga.

5.- el flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos.

  • Intercambiador de lámina y tubo fijo (tipo bem)

 

 

1.- Este intercambiador no tiene apenas diferencia entre ambos extremos, es de un solo paso en tubo y casco, lo que limita la velocidad dentro de los tubos, lo que reduce el coeficiente de transmisión de calor.

2.- Tiene junta de expansión en casco.

3.- Imposibilidad de apertura para limpieza en lado del casco.

  • Intercambiador de cabezal flotante exterior (tipo aep)

Este modelo permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede desmontarse para limpieza. Tiene el inconveniente de necesitar más mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.

  • Intercambiador de cabezal y tubos integrados (tipo cfu)

Este modelo tiene el conjunto de tubos en U lo que permite un fácil desmontaje del conjunto de tubos.

Tiene el inconveniente a la hora de sustituir un tubo dañado. Tiene el desviador central unido a la placa de tubos.

  • Rehervidor De Caldera (Tipo Akt)

Este intercambiador se caracteriza por la configuración del casco. El conjunto de tubos puede ser también A-U, dando lugar al AKU. El vertedero a la derecha de los tubos mantiene el líquido hirviente sobre los tubos. El vapor sale por la tobera superior y el líquido caliente sale por la tobera inferior.

  • Condensador de flujo dividido (tipo ajw)

Se utiliza fundamentalmente para condensar vapores, pues disminuye la pérdida de carga. Parte del intercambiador se utiliza como condensador y parte puede utilizarse con enfriador. El desviador central divide el flujo en dos y el resto de desviadores lo llevan a través de los tubos para enfriarse.

 

EJEMPLO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

 

 

Intercambiador AKE 12

Nuestros intercambiadores de calor pertenecientes a la gama conocida como de casco y tubos, se aplican a diversos usos industriales y marinos, tales como:
  • Enfriadores de aceite hidráulico
  • Intercambiadores agua-agua
  • Calentadores agua-vapor
  • Post-enfriadores
  • Otros usos especiales

Compactos y con geometría interna optimizada, se daptan a las condiciones de trabajo requeridas por para cada uso. Contamos con stock permanente.

 

 

TORRES DE ENFRIAMIENTO

Un sistema de agua de refrigeración consiste en una torre de refrigeración y en sus respectivas bombas de circulación de agua. La torre normalmente está provista de un sistema dosificador de ácido sulfúrico y de cloro.

El agua tratada viene de un sistema exterior y entra al tanque o piscina de la torre a través de una válvula de control. Esta válvula mantiene un nivel de agua en la piscina. La instalación de control tiene una alarma de nivel bajo para indicar al operador la falta de agua debido a un fallo en el sistema exterior, en el aire, o en la válvula de control. La torre dispone de dos bombas de circulación, una principal y otra de reserva.

La bomba principal normalmente está accionada por un motor eléctrico mientras que la bomba de reserva está accionada por una turbina, la cual está provista de arranque automático para asegurar una circulación continua de agua en caso de

Interrupción en el suministro de energía eléctrica. Como precaución adicional, para el caso en que la bomba a turbina esté en servicio no mal, la bomba de reserva movida por un motor eléctrico también dispone de un sistema de arranque automático.

 

 

Descripción del sistema de agua de refrigeración

Se deberá tratar al agua de la siguiente forma:

1. Purgado para el control de la concentración de sólidos.

2. Adición de ácido sulfúrico para controlar el pH y la alcalinidad.

3. Adición de productos químicos para el control de la corrosión.

4. Adición de cloro para controlar el crecimiento de algas y de depósitos orgánicos.

Se recomienda contratar los servicios de una compañía de tratamiento químico para que aconseje que concentraciones de productos y que pH deben mantenerse. Esto dependerá del tipo de inhibidor de corrosión usado puesto que  cada compañía suministra su propio compuesto inhibidor.

En general el pH y el nivel de alcalinidad serán fijados. Esto se consigue por medio de la adición de ácido sulfúrico. Se deberá controlar el pH diariamente tanto en la planta como en el laboratorio.

El inhibidor de corrosión se añade en briquetas directamente a la piscina de la torre. La concentración a mantener depende del producto utilizado. Este producto

Inhibidor no debe contener cromatos.

Se mantienen los sólidos al nivel apropiado por medio de una línea de purga en la línea de retorno del agua de refrigeración hacia la torre. El agua de circulación debe ser analizada diariamente para comprobar la concentración de sólidos.

Los depósitos orgánicos y las algas se controlan por medio de la adición de cloro. Esta operación debe ser continuamente controlada puesto que un residuo de cloro en exceso de 1 ppm puede causar ataque químico a la madera de la torre.

Tipos de torres de enfriamiento

Las torres de enfriamiento se clasifican según la forma de suministro de aire en:

  1. 1.    Torres de circulación natural
  • Atmosféricas: El movimiento del aire depende del viento y del efecto aspirante de las boquillas aspersoras. Se usan en pequeñas instalaciones. Depende de los vientos predominantes para el movimiento del aire.

 

  • Tiro natural: El flujo de aire necesario se obtiene como resultado de la diferencia de densidades, entre el aire más frío del exterior y húmedo del interior de la torre. Utilizan chimeneas de gran altura para lograr el tiro deseado. Debido al inmenso tamaño de estas torres (500 pie alto y 400 pie de diámetro), se utilizan por lo general para flujos de agua por encima de 200000 gpm Son ampliamente utilizadas en las centrales térmicas.

 


  1. 2.    Torres de tiro mecánico
  • Tiro inducido: El aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte superior de la torre. Son las más utilizadas.

 

  • Tiro Forzado: El aire se fuerza por un ventilador situado en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior.

Estas torres están sujetas particularmente a la recirculación del aire caliente y húmedo que es descargado, dentro de la toma del ventilador, debido a la baja velocidad de descarga y que materialmente reduce la efectividad de la torre.

 

  1. 3.    Otros tipos

 

  • Torres de flujo cruzado: El aire entra a los lados de la torre fluyendo horizontalmente a través del agua que cae. Las corrientes de aire laterales se unen en un pasaje interno y dejan la torre por el tope.

Las torres de flujo cruzado requieren más aire y tienen un costo de operación más bajo que las torres a contracorriente.

 

 

EJEMPLOS DE TORRES DE ENFRIAMIENTO

 

 

Torre de enfriamiento EWK

 

El agua y el aire se ponen en contacto intensivo, para lo cual un ventilador aspira el aire a contracorriente del agua; como consecuencia una parte de ésta se evapora. El calor necesario para ello, aprox. 597 Kcal. Por cada litro de agua, se toma del propio circuito produciendo así su refrigeración. Para el enfriamiento se utiliza además la caída de temperatura entre el agua caliente y la temperatura exterior del aire. El rendimiento de una torre de refrigeración, depende, principalmente de la superficie de intercambio de calor que se ha montado, de la buena distribución del agua, de la cantidad de aire aspirado y del estado del aire exterior. El límite teórico de enfriamiento es la temperatura en el termómetro húmedo. Si se conocen la temperatura del aire y la humedad relativa puede determinarse la temperatura en el termómetro húmedo sobre el diagrama de Moliere i-x. La diferencia entre la temperatura de agua fría deseada y la temperatura del termómetro húmedo (llamada distancia límite de enfriamiento), es significativa para el tamaño de la torre. Cuanto mayor sea dicha distancia límite de enfriamiento, más pequeña se hace la torre y, por consiguiente, más económica. La distancia límite debe ser, como mínimo, de 3-4º C.

 

 

 

COMPRESORES

Un compresor cumple la función de (aprieta, oprime, reduce a menor volumen). El término se utiliza para nombrar a una máquina que, a través de un aumento de la presión, logra desplazar fluidos compresibles, como los gases.

El compresor no solo desplaza los fluidos, sino que también modifica la densidad y la temperatura del fluido compresible. Los compresores se utilizan en diversos ámbitos, como en los equipos de aire acondicionado, los refrigeradores o heladeras, los turborreactores y en ciertos sistemas de generación eléctrica.

Funcionamiento de los compresores.

En su forma más simple, el inflador de bicicleta es un compresor. Al empujar un lado, el aire en el otro lado es comprimido si la salida es tapada o conectada al neumático. El aire frio entra el compresor donde la energía usada para comprimirlo es convertida a un aumento de presión y temperatura, reduciendo el volumen final, para los que hemos inflado neumáticos a cuatro mil metros sobre el nivel del mar, es fácil comprender que entre más denso el aire de la entrada(o mayor presión), más presión saldrá de esta operación. Este concepto nos lleva a los compresores de dos etapas.

Tipos de compresores.

  • Compresor de desplazamiento positivo: Estos compresores son los más conocidos y comunes.  Para verlos aquí  y observar sus diferencias los dividimos en dos tipos diferentes.  Los Rotativos (lóbulos, tornillo o paletas) y  los Alternativos (pistones).
  • Compresores rotativos de Lóbulos: • Los compresores de lóbulos tienen dos rotores simétricos en paralelo sincronizados por engranajes.
  • • Características
  • Producen altos volúmenes de aire seco a relativamente baja presión.
  • Este sistema es muy simple y su funcionamiento es muy parecido a la bomba de aceite del motor de un auto donde se requiere un flujo constante.
  • Tienen pocas piezas en movimiento.
  • Son lubricados en general en el régimen de lubricación hidrodinámica aunque  algunas partes son  lubricadas por salpicadura del aceite.  A veces los rodamientos cojinetes pueden estar lubricados por grasas.

  • Compresores rotativos tipo Tornillo: Los compresores a tornillo tienen dos tornillos engranados o entrelazados que rotan paralelamente con un juego o luz mínima, sellado por la mezcla de aire y aceite.

  • Características
    • Silencioso, pequeño, bajo costo
    • Flujo continuo de aire
    • Fácil mantenimiento
    • Presiones y volúmenes moderados
  • Operación: Al girar los tornillos, el aire entra por la válvula de admisión con el aceite.  El espacio entre los labios es progresivamente reducido al correr por el compresor, comprimiendo el aire atrapado hasta salir por la válvula de salida.
  • En los compresores a tornillo húmedos los engranajes y tornillos son lubricados por el aceite que actúa también como sello.  Típicamente tienen filtros coalescentes para eliminar el aceite del aire o gas comprimido.
  • Los compresores a tornillo secos (“oil-free”) requieren lubricación de sus engranajes, cojinetes y/o rodamientos pero los tornillos operan en seco.
  • Los tornillos normalmente operan en el régimen de lubricación límite y mixta mientras los engranajes trabajan con lubricación hidrodinámica.
  • Lubricante: Los compresores lubricados con inyección de aceite utilizan aceites R&O (resistente a oxidación por lo que trabaja entre 80° C y 120° C y con aditivos contra la corrosión) y aceites hidráulicos AW (antidesgaste).  Los engranajes son lubricados por salpicadura con aceite R&O.  Típicamente utilizan viscosidades entre ISO 32 e ISO 68 de acuerdo a la temperatura del ambiente, la velocidad de giro y el tamaño  de sus tornillos y luz.
    • El aceite tiene que tener una buena capacidad antiespumante y buenas características de enfriamiento por la alta velocidad y temperatura de operación.
    • El índice de viscosidad natural del aceite tiene que ser alto para evitar cizallamiento y sellar los tornillos.  Un aceite que utiliza muchos polímeros para mantener su índice de viscosidad sufrirá más cizallamiento y no sellará tanto como uno con un índice natural alto (grupo II, sintetizado o sintético tradicional)
    • Los aceites hidráulicos (AW)  formulados con aceite básico API grupo I no deberían ser utilizados sobre 70° C por su oxidación.  Caso contrario se tendrá que cambiar aceite con mayor frecuencia y limpiar los residuos de oxidación, resinas y polímeros de las superficies y cojinetes.   Estos depósitos son muy difíciles de eliminar de los enfriadores (intercambiadores de calor) del aceite.
    • En sistemas que tienen cojinetes de plata no se debe usar aceites AW con aditivos tradicionales de zinc y fósforo por el daño que hace el zinc a la plata.
  • Compresores rotativos tipo Paletas
  • En el compresor rotativo a paletas el eje gira a alta velocidad mientras la fuerza centrífuga lleva las paletas hacia la carcasa (estator) de afuera.  Por la carcasa ovalada, continuamente entran y salen por canales en su rotor.  Este sistema es parecido a la bomba hidráulica a paletas como la bomba utilizada en la dirección hidráulica del auto.
  • Por la excentricidad de la cámara, los compartimientos llenos de aire entre paletas se achican entre el orificio de entrada y el de salida, comprimiendo el aire.
  • El lubricante sella las paletas en el rotor y contra el anillo de la carcasa.

  • Características
    • Silencioso y pequeño
    •  Flujo continuo de aire
    • Buen funcionamiento en frío
    • Sensibles a partículas y tierra
    • Fácil mantenimiento
    • Presiones y volúmenes moderados
    • Los cojinetes  del rotor  trabajan en un régimen de lubricación hidrodinámica mientras las paletas frotan sobre el anillo de la  carcasa en lubricación hidrodinámica ylímite.
    • Por lo que mucho del régimen de lubricación es límite, se requiere  aceite con  aditivos  AW (antidesgaste) inyectado o pasado por conductos con el aire.  Típicamente se usa aceite hidráulico ISO (VG) 32, 46 o 68; aceite hidráulico SAE 10W; o aceite de motor.  Los aceites de motor tienen la ventaja que absorben la humedad y condensado para llevarla con el aire, (evitando chupar agua decantada en el fondo) pero la desventaja que un exceso de humedad puede causar la precipitación de sus aditivos o corrosión si el compresor queda parado mucho tiempo con aceite contaminado.
    • Adicionalmente a la necesidad de aditivos antidesgaste, se requiere un aceite de buena resistencia a la oxidación a altas temperaturas, ya que estos compresores pueden llegar a 200° C.   Estas temperaturas requieren un índice de viscosidad natural muy alto para mantener su viscosidad y evitar cizallamiento.  Cualquier depósito de barniz que resulta de la oxidación del aceite puede llenar las ranuras del rotor, evitando el suave y seguro movimiento de las paletas.
    • Por lo que la fuerza centrifuga gira las partículas de tierra hacia la carcaza y el anillo (pista) de la  carcaza, la vida útil depende mucho del filtro de aire, el  grosor de la película de aceite y la cantidad de aditivos AW.
    • La lubricación es a pérdida.  Este aceite va con el aire y por ende es ideal para sistemas de lubricación a goteo, lubricación neumática, etc.
  • Compresores de movimiento alternativo tipo pistón
  • El compresor a pistón es semejante al motor de combustión del auto y puede ser de efecto simple para baja presión o doble para alta presión.
  • Los pistones, cojinetes y válvulas requieren lubricación.

  • Características
    • Ruidoso y pesado
    • Fluido de aire intermitente
    • Funciona en caliente (hasta 220° C)
    • Necesita mantenimiento costoso periódico
    • Alta presión con moderado volumen
    • Son divididos en dos clases:
      • Los de efecto simple:  Baja presión, normalmente usado en talleres para pintar, soplar, inflar neumáticos, operar herramientas neumáticas, etc.
      • Los de efecto doble (Duplex):   Usados para altas presiones en sistemas de compresión de gases a licuados, etc.
      • Los cojinetes trabajan en el régimen de lubricación hidrodinámica, mientras los pistones y las válvulas trabajan en el régimen de lubricación límite y mixta.
      • Los compresores a pistón de efecto simple típicamente son lubricados por salpicadura del cárter con aceites R&O o aceites hidráulicos con aditivos AW.  Estos aceites no deben tener detergentes/dispersantes (como tienen los aceites de motor) por lo que estos aditivos absorban la humedad condensada y causan herrumbre.   Los aceites R&O  e  hidráulicos contienen aditivos emulsificadores que decantan el agua en el fondo del cárter para poder ser drenado.
      • Los compresores a pistón de doble efecto (Duplex) típicamente tienen un sistema doble de lubricación, utilizando aceites R&O para los cojinetes y aceites hidráulicos AW sin cenizas para los pistones.    Esto reduce la fricción en los cilindros donde ocurre más de 75% de la fricción, mientras la larga vida del aceite R&O es aprovechado en la lubricación hidrodinámica de los cojinetes.
        • El uso de aceites de baja calidad en los cilindros causa depósitos de barniz y carbonilla en las válvulas y ranuras de pistones, aumentando el mantenimiento.
        • Por las temperaturas en estos cilindros que pueden llegar hasta 120° C, los aceites utilizados deben tener alta resistencia contra la oxidación.
        • Notamos que los aceites baratos vendidos aquí normalmente pasan las pruebas de oxidación con solamente 2000 a 2500 horas, mientras los sintetizados pasan con más de 5000 horas y los sintéticos con más de 8000 horas.  Esto no solo representa más que el doble de vida útil para el aceite, si no mayor limpieza, menos barniz, mayor lubricación, menor temperatura y menos consumo de energía.
  • Los compresores dinámicos

Los compresores dinámicos pueden ser Radiales (centrífugos) o de Flujo Axial.  Una de las ventajas que tienen ambas es que su flujo es continuo.  Estos compresores tienen pocas piezas en movimiento, reduciendo la pérdida de energía con fricción y calentamiento.

  • Compresores Radiales (Centrífugos)
  • Una serie de paletas o aspas en un solo eje que gira, chupando el aire/gas por una entrada amplia y acelerándolo por fuerza centrífuga para botarlo por el otro lado.
  • Funciona en seco.  La única lubricación es de sus cojinetes o rodamientos.
  • Características:
    • El gas o aire sale libre de aceite
    • Un flujo constante de aire
    • Caudal de flujo es variable con una presión fija
    • El caudal es alto a presiones moderadas y bajas
    • Régimen de lubricación es hidrodinámico.
    • La lubricación es por aceite de alta calidad R&O o Grasa.

  • Compresores de Flujo Axial
  • Contiene una serie de aspas rotativas en forma de abanico que aceleran el gas de un lado al otro, comprimiéndolo.  Esta acción es muy similar a una turbina.
  • Funciona en seco.  Solo los cojinetes requieren lubricación.
  • Características:
    • Gas/Aire libre de aceite
    • Flujo de aire continuo
    • Presiones variables a caudal de flujo fijo
    • Alto caudal de flujo.  Presiones moderadas y bajas

  1. Procesos donde se utiliza

El aire comprimido se utiliza para la operación de máquinas y herramientas, taladrar, pintar, soplar hollín, en transportadores neumáticos, en la preparación de alimentos, en la operación de instrumentos y para operaciones en el sitio de uso (por ejemplo, combustión subterránea) las presiones van desde 25 psig (172 kpa)hasta 60000 psig (413,8 kpa). El empleo más frecuente es a presiones de 90 a 110 psig, que son los limites de la presión normal en casi todas las fabricas.

Los compresores para gas se emplean para refrigeración, acondicionamiento de aire, calefacción transporte por tuberías. Acopio de gas natural, ·craqueo · catalítico, polimerización y en otros procesos químicos.

  1. Ejemplo.

Un ejemplo es lo que vemos en las bombas que utilizamos para inflar bicicletas al estirar el mango de la bomba creamos una cámara de aire la cual, al tratar de poner el mango de la bomba a su posición inicial   aumenta la presión ya q esta sellado en la parte superior lo cual también hace que aumente la temperatura.

Turbinas

  1. Que es una  turbina

Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y éste le entrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes.

Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.

Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y estátor, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de rotación.

Hasta el momento, la turbina es uno de los motores más eficientes que existen (alrededor del 50%) con respecto a los motores de combustión interna y hasta algunos eléctricos.

El término turbina suele aplicarse también, por ser el componente principal, al conjunto de varias turbinas conectadas a un generador para la obtención de energía eléctrica.

  1. Funciones de las turbinas
  • Compresor:este se encuentra en la entrada del motor y se encuentra conectado al disco por un eje.
  • Difusor:su mision es cambiar la velocidad de la corriente de aire que viene del compresor para aumentar la presion.
  • Camara de combustion: es una de las aprtes mas ciritcas de la turbina, su diseño es critico por la temperatura de la salida, es fundamental asi como la lonmgitud de la camara esta limitada por las cuestiones de diseño que viene al caso.
  • Disco de turbina:es la parte encargada de extraer parte de la energia de la corriente del gas para convertirla en movimiento su unica funcion es hacer rotar el compresor al cual se encuentra unido por medio de un eje
  1. Tipos de turbina

Las turbinas, pueden clasificarse de acuerdo a los criterios expuestos en aquel artículo. Pero en el lenguaje común de las turbinas suele hablarse de dos subgrupos principales: hidráulicas y térmicas.

·         Turbinas hidráulicas

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por el rodete o por el estátor; éstas son generalmente las turbinas de agua, que son las más comunes, pero igual se pueden modelar como turbinas hidráulicas a los molinos de viento o aerogeneradores.

Dentro de este género suele hablarse de:

  • Turbinas de acción: Son aquellas en que el fluido no sufre ningún cambio de presión a través de su paso por el rodete. La presión que el fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presión atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en todo el rodete. Su principal característica es que carecen de tubería de aspiración. La principal turbina de acción es la Turbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un número específico de revoluciones bajo (ns<=30). El distribuidor en estas turbinas se denomina inyector.
  • Turbinas de reacción: Son aquellas en que el fluido sí sufre un cambio de presión considerable a través de su paso por el rodete. El fluido entra en el rodete con una presión superior a la atmosférica y a la salida de éste presenta una depresión. Se caracterizan por presentar una tubería de aspiración, la cual une la salida del rodete con la zona de descarga de fluido. Estas turbinas se pueden dividir atendiendo a la configuración de los álabes. Así, existen las turbinas de álabes fijos (Francis->Flujo diagonal; Hélice->Flujo radial) y turbinas con álabes orientables (Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo radial). El empleo de álabes orientables permite obtener rendimientos hidráulicos mayores.

El rango de aplicación (una aproximación) de las turbinas, de menor a mayor salto es: kaplan-francis-pelton

El número específico de revoluciones es un número común para todas las turbinas/bombas geométricamente semejantes (de menor a mayor es: pelton-francis-kaplan). Cuanto mayor es el número específico de revoluciones, tanto mayor es el riesgo de cavitación de la turbina, es decir, una Turbina Kaplan tiene más probabilidad de que se dé en ella el fenómeno de la cavitación que en una Turbina Francis o una pelton.

·         Turbinas térmicas

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por la máquina.

Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus diferencias fundamentales de diseño:

  • Turbinas a vapor: su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a mercurio, que fueron populares en algún momento, y el de las turbinas a vapor de agua, que son las más comunes.
  • Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase del fluido durante su paso por el rodete.

También al hablar de turbinas térmicas, suele hablarse de los siguientes subgrupos:

  • Turbinas a acción: en este tipo de turbinas el salto entálpico ocurre sólo en el estátor, dándose la transferencia de energía sólo por acción del cambio de velocidad del fluido.
  • Turbinas a reacción: el salto entálpico se realiza tanto en el rodete como en el estátor, o posiblemente, sólo en rotor.

Igual de común es clasificar las turbinas por la presión existente en ellas en relación a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo:

  • Turbinas de alta presión: son las más pequeñas de entre todas las etapas y son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina.
  • Turbinas de media presión.
  • Turbinas de baja presión: Son las últimas de entre todas las etapas, son las más largas y ya no pueden ser más modeladas por la descripción euleriana de las turbomáquinas.

Turbina eólicas

Una turbina eólica es un mecanismo que transforma la energía del viento en otra forma de energía útil como mecánica o eléctrica.

La energía cinética del viento es transformada en energía mecánica por medio de la rotación de un eje. Esta energía mecánica puede ser aprovechada para moler, como ocurría en los antiguos molinos de viento, o para bombear agua, como en el caso del molino multipala. La energía mecánica puede ser transformada en eléctrica mediante un generador eléctrico (un alternador o un dinamo). La energía eléctrica generada se puede almacenar en baterías o utilizarse directamente.

Turbina submarina

Una Turbina Submarina es un dispositivo mecánico que convierte la energía de las corrientes submarinas en energía eléctrica. Consiste en aprovechar la energía cinética de las corrientes submarinas, fijando al fondo submarino turbinas montadas sobre torres prefabricadas para que puedan rotar en busca de las corrientes submarinas. Ya que la velocidad de estas corrientes varía a lo largo de un año, se han de ubicar en los lugares más propicios en donde la velocidad de las corrientes varían entre 3 km/h y 10 km/h para implantar centrales turbínicas preferentemente en profundidades lo más someras posibles y que no dañen ningún ecosistema submarino. Las turbinas tendrían una malla de protección que impediría la absorción de animales acuáticos.

  1. Para qué tipo de proceso se utiliza

Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales eléctricas de generación de energía eléctrica, cuyos componentes principales son:

  • Caldera: su función es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de la turbina.
  • Turbina: es la encargada de utilizar la energía del vapor de la caldera y transformarla en trabajo útil para mover un generador eléctrico.
  • Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina.
  • Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del condensador.
  1. Ejemplo

en una central hidroeléctrica transforman la energía del flujo de agua en rotación y esta luego es transformada en energía eléctrica, en un auto aprovechan los gases del escape para accionar un compresor que le de más oxígeno a la mezcla…

BOMBAS CENTRIFUGAS

 

 

 

 

La función básica de una bomba es la de transferir líquido de un recipiente a otro. Una bomba realiza este trabajo impartiendo energía al líquido. La energía de movimiento se transforma en energía de presión en la bomba. Una bomba centrífuga debe tener siempre alimentada la succión para trabajar eficientemente. Cuando se diseña la bomba, las condiciones en la succión constituyen la base de los cálculos.

La presión de succión viene determinada por la presión hidrostática sobre la línea de succión ejercida por el líquido a bombearse.

El líquido entra en el ojo del impulsor aproximadamente a la presión de succión de diseño. La rotación del impulsor entonces lanza el líquido rápidamente hacia afuera del impulsor para acumularse en la carcasa de la bomba, llamada voluta. Este efecto causado por la rotación del impusor a su vez reduce la presión en el ojo del impulsor facilitando la entrada de más líquido a la sección donde se encuentra el impulsor.

El objeto de una bomba es el de aumentar la presión de un líquido y facilitar su transferencia a otro recipiente.

 

Fundamentos De Una Bomba Centrífuga

Para entender como opera una bomba centrífuga vamos a analizar las partes de una bomba simple.

En primer lugar tenemos un impulsor en la carcasa (voluta). Cuando el impulsor gira, el líquido es forzado hacia la voluta.

Note que la curva de las aspas va en sentido opuesto a la dirección de rotación.

a) Cuando el líquido incrementa su presión en la voluta, se crea una carga desequilibrada en los cojinetes del eje, la cual se conoce como empuje radial. Para reducir este efecto se utiliza un divisor de flujo. Este sistema se denomina carcasa con voluta doble.

b) La carcasa tipo difusor constituye otro método de contrarestar el empuje radial. Se puede ver que el difusor es un anillo estacionario con aspas situado alrededor del impulsor, el cual convierte la velocidad en presión, a lo largo de todo el

impulsor sin tener un alto empuje radial desequilibrado en un punto.

Existen varias clases de impulsores:

a) Impulsor abierto

b) Impulsor semi-abierto (con un lado cubierto)

c) Impulsor cerrado (con dos lados cubiertos). Note las varias vistas del lado del impulsor, las cuales muestran como el diseño del impulsor puede afectar la presión de descarga.

CLASIFICACIÓN DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

Las bombas centrífugas se clasifican de acuerdo a la trayectoria del fluido en el interiordel impulsor en: flujo radial, flujo axial y flujo mixto.

a) Flujo radial. El movimiento del fluido se inicia en un plano paralelo al eje de giro delimpulsor de la bomba y termina en un plano perpendicular a éste. Éstas bombasPueden ser horizontales o verticales.

b) Flujo axial. La dirección del fluido en el impulsor es en forma axial y alrededor del ejede giro del impulsor de la bomba, sin tener cambios de dirección. Éstas bombasdesarrollan su carga por la acción de un impulso o elevación de los alabes sobre ellíquido y usualmente son bombas verticales de un solo paso.

c) Flujo mixto. El movimiento del fluido dentro del impulsor se desarrolla en tresdirecciones, tangencial, radial y axial al eje de giro del impulsor de la bomba. Éstasbombas desarrollan su carga parcialmente por fuerza centrifuga y parcialmente por elimpulso de los alabes sobre el líquido.
TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS
Bombas con impulsor en voladizo
En estas bombas el impulsor es montado en el extremo de la flecha, trasmitiendo en suoperación una fuerza y un momento en cantiliver sobre el (los) rodamientos de labomba.
Bombas con impulsor entre rodamientos
En estos equipos los rodamientos están situados en los extremos, los cuales soportan laflecha con el impulsor o impulsores, según sea de un paso o multipasorespectivamente.
Bombas tipo turbina
Es una bomba vertical para servicio en pozos o cárcamos, donde el nivel del líquidosobrepasa la altura de succión de las bombas horizontales. Éstas bombas por logeneral se construyen con lubricación por aceite, o por el mismo fluido bombeado (autolubricadas) con tazones y difusores lo cual la hacen conveniente para construccionesmultietapas
CÁMARAS DE MEZCLA

La sección donde sucede el proceso de mezclado de dos corrientes de fluidos, es llamada cámara de mezcla, o mezclador.
Este tipo de dispositivo solo se emplea en los sistemas continuos o circulantes para la mezcla completa de fluidos miscibles.
□ Funcionamiento:

Es un equipo en el cual ingresan más de una corriente de fluido (gas ideal o vapor), que luego de mezclarse, salen bajo un mismo estado. La condición de funcionamiento para este equipo, es que las presiones de entrada deben ser iguales a la presión de salida. La cámara de mezcla funciona en régimen permanente y es adiabática

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