APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA EN EL CAMPO DE LA INGENIERÍA INDUSTRIAL

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INTRODUCCIÓN

Bases de Conocimientos:  Propiedades Termodinámicas  Primera Ley de la Termodinámica  Segunda Ley de la Termodinámica  Energía Interna  Entalpía  Entropía

La termodinámica se ocupa de la energía y sus transformaciones en los sistemas. El presente trabajo demostrara

aplicación de la termodinámica en este caso tocaremos sistemas en el que se demostrara la transformaciones desde su estado inicial al estado final. Para esta demostración analizare el

funcionamiento de una caldera y un equipo de refrigeración

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CALDERA DE VAPOR

MARCO TEORICO

Debido a que la presión del vapor generado dentro de las calderas es muy grande, estas están construidas con metales altamente resistentes a presiones altas, como el acero laminado.

DEFINICION: Una caldera es un dispositivo que está diseñado para

generar vapor saturado. Este vapor saturado se genera a través de una transferencia de energía (en forma de calor) en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado.

La transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura. La presión, no puede aumentar de manera desmesurada, ya que debe permanecer constante por lo que se controla mediante el escape de gases de combustión, y la salida del vapor formado.

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CALDERA DE VAPOR

CLASIFICACION :

En este tipo de calderas el agua circula por el interior de los tubos y manejan presiones de operación de 0-2200 PSIG.

Ventajas: Pueden ser puestas en

marcha rápidamente y trabajan a 300 o mas psi.

Desventajas:

Mayor tamaño y peso, mayor costo. Deben ser alimentadas con agua de gran pureza

En este tipo de calderas los gases de combustión circulan por el interior de los tubos y manejan presiones de operación de 0-300 PSIG.

Ventajas: Menor costo inicial debido a

la simplicidad de su diseño. Mayor flexibilidad de operación. Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación. Son pequeñas y eficientes.

Desventajas: Mayor tiempo para subir

presión y entrar en funcionamiento. No son están diseñadas para altas

presiones.

POR LA DISPOSICIÓN DE LOS FLUIDOS

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Por el modo de gobernar la operación:

De operación manual Semiautomáticos Automáticos

OTRAS CLASIFICACIONES COMO SE MENCIONA

Por su configuración:

Vertical Horizontal

Por el mecanismo de transmisión de calor dominante:

Convección Radiación

Radiación y Convección

Por el combustible empleado:

Combustibles sólidos Combustibles líquidos Combustibles gaseosos

Combustibles especiales (Licor negro, bagazo, etc.)

De recuperación de calor de gases Mixtas - Nucleares Por el tiro: De tiro natural De hogar presurizado De hogar equilibrado

CALDERA DE VAPOR

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CALDERA DE VAPOR

COMPONENTES PRINCIPALES DE CALDEROS

VALVULA DE SEGURIDAD

VÁLVULA DESCAGA DE VAPOR

Dispositivo automático que actúa por la presión estática ejercida sobre un obturador que se separa de su asiento en forma rápida (acción de disparo) y tiene por función evitar que la presión de vapor generada en la caldera supere su presión máxima de diseño evitando así explosiones.

Tiene por función gobernar el paso del vapor generado en la caldera hacia el sistema de distribución y uso de vapor. evitar que la presión de vapor generada en la caldera supere su presión máxima de diseño evitando así explosiones.

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CALDERA DE VAPOR

COMPONENTES PRINCIPALES DE CALDEROS

VALVULA CHECK

VISOR DE NIVEL

VÁLVULA DE CONTROL DE AGUA DE ALIMENTACION

Es usada en el arranque de la caldera y el control principal del agua de alimentación.

Una válvula de retención (Check) debe ser instalada para prevenir el retorno del flujo desde la caldera a la línea de alimentación mientras la bomba no esta

funcionando

Este accesorio de vidrio permite visualizar el nivel de agua dentro de la caldera, para asegurar que esta siendo calentada una adecuada cantidad de agua. Es visor esta por encima de los 100 KW(10BHP) deben contar con dos.

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CALDERA DE VAPOR

COMPONENTES PRINCIPALES DE CALDEROS

PRESOSTATO

MANÓMETRO TIPO BOURDON

Es un indicador de presión que generalmente es de tipo Bourdeon. Su dial debe tener un diámetro superior a los 150 mm y deben encontrarse grabadas tanto la presión normal de trabajo y la max. presión de diseño (MAWP).

Permite gobernar la presión de vapor de la caldera y es elemento de seguridad de la caldera. Este presostato cuando se alcanza la presión ajustada en el presostato, regula la presión diferencial el quemador entra nuevamente en operación para recuperar la presión de vapor perdida.

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CALDERA DE VAPOR

COMPONENTES PRINCIPALES DE CALDEROS

QUEMADOR

Encargado de la transformación de la energía química del combustible en calor útil para el calentamiento y posterior generación de vapor. El quemador atomiza el combustible a fin de generar una adecuada mezcla con el oxigeno para que mediante la combustión, las partículas de combustible sean quemadas.

Con esa finalidad, debe ser adecuadamente calibrado para garantizar una mezcla apropiada de oxigeno (aire) y combustible a fin de generar calor suficiente para alcanzar la presión de trabajo de la caldera (NWP).

Quemador Con Atomización Correcta

Quemador Con Atomización incorrecta

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PODER CALORIFICO

CALDERA DE VAPOR

Básicamente los quemadores son diferenciados por el tipo de combustible utilizado. La combustión permite liberar la energía por unidad de masa que cada tipo de combustible contiene. Esto es el poder calorífico (Tab. 01 y 02)

La llama de un combustible gaseoso de petróleo (fuel gas) debe ser corta y azul o azul ligeramente veteada de amarillo. Para acortar la llama debe aumentar aire primario o disminuir aire secundario del quemador

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EFICIENCIA TERMICA DE UN CALDERO –

1° Ley de Termodinámica El rendimiento o eficiencia de una caldera está determinada por diversos factores entre ellos:

• Características del quemador

• Características de la superficie de intercambio térmico en el caldero. • Perdidas de calor por radiación.

• Eficiencia de combustión.

El rendimiento térmico de una caldera puede calcularse según la primera ley de la termodinámica para sistemas abiertos (cuando hay flujo de vapor) :

Donde:

Mv=Flujo másico de vapor producido (Kg/s; Kg/h)

Mcomb= Flujo másico de combustible consumido (Kg/s; Kg/h)

hsal=Entalpia del vapor producido (KJ/Kg)

hing=Entalpia del agua de ingreso (KJ/Kg)

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CALDERA DE VAPOR

La Perdida de Calor asociada a los productos de la combustión se debe, a las perdidas por inquemados, que surgen cuando existe combustión incompleta, y a la entalpía de los productos de combustión, correspondiente al calor utilizado en calentar los humos (kJ/Kg) hasta la temperatura a la cual escapan por la chimenea, ya que a partir de ese punto el calor que llevan no se recupera.

En el conjunto caldera – quemador existen pérdidas de calor asociadas, principalmente, a los gases de la combustión y al calor perdido por transferencia de calor (radiación, convección entre otros) desde la caldera hacia el medio ambiente próximo, por encontrarse a mayor temperatura. Para disminuir estas perdidas las calderas están dotadas de aislamiento térmico.

PERDIDAS DE CALOR - 2da Ley de Termodinámica

Perdidas por radiacion, conveccion y otros

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La caldera es un sistema que cumple los principios de la primera ley de la

termodinámica, ya que la energía utilizada para el calentamiento del agua proviene de una combustión, la energía que no se pudo utilizar en el calentamiento del agua se pierde en forma de calor por radiación y convección, en los gases de combustión y agua de purga como conducción. La energía no utilizada no se destruye.

La caldera es un sistema que opera bajo lo establecido por la segunda ley de la termodinámica, menor al 100% de eficiencia, debido a distintas pérdidas durante el proceso. La más importante se debe a la diferencia de temperaturas entre la superficie de la caldera (fuente aprox. a 55°C) y la temperatura del ambiente (sumidero a 23°C), lo cual crea una pérdida de energía en forma de calor.

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CALDERA DE VAPOR

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CÁMARA FRIGORIFICA

MARCO TEORICO

Definición: Es una instalación industrial comprende un compresor de gas movido por un motor eléctrico, un intercambiador de calor llamado condensador, otro con cañerías o tubos en forma de serpentín llamado evaporador y una válvula de expansión, todos interconectados por tubos de cobre formando un circuito cerrado.

El compresor y el condensador están fuera de la cámara frigorífica mientras que la válvula de expansión y el evaporador dentro de la cámara, generalmente sobre el marco de la puerta de entrada.

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CÁMARA FRIGORIFICA

CALOR LATENTE DE EVAPORACIÓN

Si colocamos un líquido dentro de un recipiente abierto y comenzamos a suministrarle calor, la temperatura del líquido comenzará a elevarse de manera continua. Esta elevación de temperatura se mantendrá, hasta que el líquido entre el ebullición, a partir de ese momento, la temperatura permanecerá constante mientras exista líquido en el recipiente, y toda la energía suministrada de ahí en adelante, se utilizará para cambiar el estado de líquido a gas. Durante ese proceso de temperatura invariable, en el recipiente coexistirán las dos fases.

Esa cantidad de energía absorbida durante el proceso de evaporación de un líquido en ebullición se conoce como calor latente de evaporación.

Podemos entonces definir el calor latente de evaporación como la cantidad de calor absorbido por una unidad de masa de un líquido para pasar del estado líquido al gaseoso.

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PRINCIPALES COMPONENTES :

CÁMARA FRIGORIFICA

Evaporador: Intercambiador de calor en donde se lleva a

cabo el efecto de refrigeración al permitir al refrigerante absorber calor retirado de los espacios por ser refrigerados.

Condensador: Intercambiador de calor (radiador) que elimina

el calor en el refrigerante, en estado gaseoso, proveniente del compresor, convirtiéndolo en una mezcla (líquido y gas) y eliminando el calor removido del espacio refrigerado, por lo que éste se ubica en el exterior del recinto.

Compresor: Equipo mecánico que comprime el refrigerante en

forma de vapor, incrementando así su presión y temperatura, para posteriormente ser transportado por la tubería en forma de gas caliente hasta el condensador. El compresor es accionado por un motor eléctrico.

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PRINCIPALES COMPONENTES :

CÁMARA FRIGORIFICA

Válvula de expansión: Dispositivo mecánico que al pasar el

refrigerante proveniente del condensador, baja su presión, de forma que éste sale de la válvula en forma de gas a baja

temperatura y baja presión, para seguir su camino por la tubería hacia el evaporador.

Nota:

Refrigerante :Es un fuido que actúa como el agente de

enfriamiento, con propiedades especiales para alcanzar los puntos de evaporación y de condensación. Mediante cambios de presión y temperatura, éste absorbe calor de un espacio y lo disipa en otro.

Ejemplo:

Gas refrigerante R12 para cámara frigorífica Gas refrigerante R22 para aire acondicionado

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RESUMEN - FUNCIONAMIENTO

CÁMARA FRIGORIFICA

a. El calor es recogido por el refrigerante en el evaporador. b. El compresor aumenta la presión y temperatura del refrigerante, impulsándolo hacia el

condensador, para que se produzca la transferencia de calor.

c. El calor desechado en el condensador se transfiere al ambiente exterior utilizando algún medio como aire natural o agua fría.

d. La válvula de expansión baja la presión del refrigerante generando un diferencial de presión, lo cual permite que el proceso se repita indefinidamente.

El ciclo de refrigeración básico indica que el calor se recoge en el evaporador y se desecha en el condensador. Esta cantidad de calor desechado es aproximadamente la misma que la proporción del calor recogido en el evaporador. En este ciclo se cumplen los siguientes procesos según se muestra en la Fig1:

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CÁMARA FRIGORIFICA

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CÁMARA FRIGORIFICA

El compresor eleva la presión del gas que llega caliente de la cámara. Cuando el gas llega a los valores de presión y temperatura previstas le corresponde al gas pasar por el condensador a la fase liquida emitiendo calor latente de fusión. El condensador esta provisto de aletas que transmiten el calor que pasa por las paredes de las tuberías al aire. Si es necesario se instala un sistema de lluvia de agua en circuito cerrado que ayuda a disipar el calor. El largo del serpentín esta calculado para que el gas licuado salga del condensador a temperatura ambiente. Pasa entonces por la válvula de expansión, ya en el interior de la cámara, y pierde presión. Al llegar al evaporador el gas esta frío y sin presión. le corresponde volver a su estado gaseoso. Necesita calor latente de evaporación. Éste lo toma de los tubos de cobre que por ello se enfría y este a su vez toma calor del aire. Con ayuda de un ventilador se establece una corriente de aire caliente de la cámara que pasa por el serpentín del evaporador entregando calorías del aire y de los productos almacenados. El gas llega caliente al compresor completando el circuito. El proceso continúa enfriando el aire y los productos almacenados hasta que la temperatura llega a +/-1 °C más baja que la fijada. Un termostato cierra la válvula de expansión y un presostato cierra la corriente del compresor. Pasado un tiempo la temperatura sube por el calor que pasa por las paredes y por la apertura de la puerta de la cámara. Cuando llega a +/-1 °C más alta que la fijada se abre la válvula y la corriente. El ciclo vuelve a trabajar.

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El enunciado de Clausius de la Segunda Ley de la Termodinámica afirma que el calor no pasa de una región fría a otra mas caliente sin la ayuda de una "energía externa". Así pues, un refrigerador precisa de una energía recibida para poder funcionar.

Aplicación de Termodinámica –

2do Principio de Termodinámica

CÁMARA FRIGORIFICA

-Ebullición nucleada y condensación pelicular.

-Procesos de flujo estacionario (estrangulación, compresión e intercambio de calor) -Control de caudal

El ciclo de refrigeración es muy interesante desde el punto de vista termodinámico. Es una de las pocas plantas prácticas cuyo funcionamiento se basa en un verdadero ciclo termodinámico e incluye lo siguiente:

-Las propiedades termodinámicas (presión, volumen específico, temperatura, entalpía específica, y entropía específica) de una sustancia pura, así como todas las condiciones entre vapor sobrecalentado y líquido subenfriado.

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A mi madre por su apoyo incondicional.

Al Ingeniero Cesar Martínez Achamizo y al Técnico Nelson Jacinto Jacinto por el apoyo brindado para la realización del presente trabajo.

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