CALDERAS Y SUS EQUIPOS AUXILIARESPrincipio de funcionamiento.El agua de alimentación que va a la caldera es almacenada en un tanque ocámara de agua con capacidad suficiente para atender la demanda de la caldera,así una válvula de control de nivel mantiene el tanque con agua, a su vez una bomba de alta presión empuja el agua hacia adentro de la caldera por medio de tuberías, al tiempo que, se da la combustión en el horno, esta es visible por elfuncionamiento del quemador en forma de flama, el quemador es controladoautomáticamente para pasar solamente el combustible necesario (el combustiblepuede ser solidó, liquido o gaseoso, dentro de los más conocidos se encuentran elcarbón, el combustóleo, y el gas), la flama o calor es dirigida y distribuida a lassuperficies de calentamiento o tuberías donde la energía térmica liberada en elproceso de combustión se transmite al agua contenida en los tubos (en algunoscasos el agua fluye a través de los tubos y el calor es aplicado por fuera a estediseño se le conoce como Acuotubular, en otros casos los tubos están sumergidosen el agua y el calor pasa por el interior de los tubos a este diseño se le conocecomo Pirotubular, estos dos diseños de calderas son los más utilizados) donde pormedio de los procesos de radiación, conducción y convección el agua setransforma en vapor, dicho vapor es conducido por tuberías a los puntos de uso opuede ser colectado en cámaras para su distribución; en la parte superior de lacaldera se encuentra una chimenea la cual conduce hacia afuera los humos ogases de la combustión; en el fondo de la caldera se encuentra una válvula desalida llamada purga de fondo por donde salen del sistema la mayoría de polvos,lodos y otras sustancias no deseadas que son purgadas de la caldera.En conjunto en la caldera existen múltiples controles de seguridad para aliviar lapresión si esta se incrementa mucho, para apagar la flama si el nivel del agua esdemasiado bajo o para automatizar el control del nivel del agua.Fluidos que intervienen en su funcionamiento (Ej. Agua en estado líquido,vapor de agua, combustible, aire, refrigerante, etc.)Los combustibles empleados pueden ser sólidos (leña, carbón, pellas de madera),líquidos (fuelóleo, gasóleo) o gaseosos (gases licuados de petróleo o GLP, gasnatural), lo que determina la forma de funcionamiento de las calderasComponentes principales.Hogar o Fogón: Es el espacio donde se produce la combustión. Se le conocetambién con el nombre de Cámara de Combustión.Puerta Hogar: Es una pieza metálica, abisagrada, revestida generalmente en suinterior con ladrillo refractario o de doble pared, por donde se alimenta decombustible sólido al hogar y se hacen las operaciones de control de fuego.Emparrillado: Son piezas metálicas en formas de rejas, generalmenterectangulares o trapezoidales, que van en el interior del hogar y que sirven desoporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten elpaso del Aire primario que sirve para que se produzca la combustión.Cenicero: es el espacio que queda bajo la parrilla y que sirve para recibir lascenizas que caen de ésta. Los residuos acumulados deben retirarseperiódicamente para no obstaculizar el paso de aire necesario para la combustión.Puerta del Cenicero: Accesorio que se utiliza para realizar las funciones delimpieza del cenicero. Mediante esta puerta regulable se puede controlar tambiénla entrada del aire primario al hogar.Conductos de Humos:

 Es aquella parte de la caldera por donde circulan loshumos y los gases calientes que se han producido en la combustión, en estosconductos se realiza la transmisión de calor al agua que contiene la caldera.Caja de Humo: Corresponde al espacio de la caldera en el cual se juntan loshumos y gases después de haber entregado su calor y antes de salir por lachimenea.Chimenea: Es el conducto de salida de los gases y humos de la combustión haciala atmósfera, los cuales deben ser evacuados a una altura suficiente para evitarperjuicios o molestias a la comunidad.Regulador de Tiro o Templador: Consiste en una compuerta metálica instaladaen el conducto de humo que comunica con la chimenea o bien en la chimeneamisma. Tiene por objeto dar mayor o menor paso a la salida de los gases y humosde la combustión.Tapas de Registro o Puertas de Inspección: Son aperturas que permiteninspeccionar, limpiar y reparar la caldera.

 Puertas de hombres: Como su nombre lo indica, estas puertas tienen el tamañosuficiente para permitir el paso de un hombre para inspeccionar interiormente lacaldera y limpiarla.Tapas de Registro: Todas las calderas tienen convenientemente distribuidascierto número de tapas que tienen por objeto inspeccionar ocularmente el interiorde las calderas o lavarlas, si es necesario extraer en forma mecánica o manual,los lodos que se hayan acumulado y que no hayan salido por las purgas.Puertas de Explosión: Son puertas metálicas con contrapeso o resortes,ubicadas generalmente en la caja de humos y que se abren en caso de exceso depresión en la cámara de combustión, permitiendo la salida de los gases yeliminando la presión. Solo son utilizables en calderas que trabajen concombustibles líquidos o gaseosos.Cámara de Agua: Es el volumen de la caldera que está ocupado por el agua quecontiene y tiene como límite superior un cierto nivel mínimo del que no debedescender nunca el agua durante su funcionamiento. Es el comprendido del nivelmínimo visible en el tubo de nivel hacia abajo.Cámara de Vapor: Es el espacio o volumen que queda sobre el nivel superiormáximo de agua y en el cual se almacena el vapor generado por la caldera

Las turbinas son máquinas que desarrollan par y potencia en el eje como resultado de la variación de la cantidad de movimiento del fluido que pasa a través de ellas.

 

Dicho fluido puede ser un gas, vapor o líquido, si bien las notas que se dan a continuación son aplicables a turbinas que operan con gas o vapor.

 

Para que el fluido alcance la alta velocidad requerida para que se produzcan variaciones útiles en el momento, debe haber una diferencia importante entre la presión a la entrada a la turbina y la de escape.

 

Como fuentes de gas presurizado cabe mencionar un gas previamente comprimido y calentado, como sería el caso de una turbina de gas, o en la turbina de un turbosobrealimentador de un motor de C.I. En la industria de generación de electricidad es muy frecuente el uso de vapor generado en calderas a alta presión que utilizan combustibles sólidos o nucleares para mover los alternadores accionados por turbinas de vapor.

 

Existen numerosos tipos de turbinas, desde la más elemental utilizada en el buril de un dentista, hasta las grandes turbinas multiexpansión empleadas en las centrales energéticas, que pueden llegar a desarrollar hasta 1000 MW.

 

La turbina que vamos a ensayar se trata de una "turbina de acción simple monoexpansiva y de flujo axial".

 

"Simple" por ser una turbina sin complicaciones tales como la doble expansión de acción.

 

"Monoexpansiva" se refiere a que sólo tiene un escalonamiento.

 

"De flujo axial" significa que el fluido entra y sale del rotor al mismo radio, y sin componentes radiales de importancia en su velocidad.

 

Finalmente "de acción" indica que la caída de presión del fluido y su consiguiente aumento de velocidad, tiene lugar en el estator, es decir, en las toberas. Por tanto, el fluido pasa a través del rotor a una presión casi constante, produciéndose solamente un cambio en su velocidad.

Aplicación de la Primera ley de la Termodinámica

El diagrama representa una turbina a través de la cual pasa una unidad de masa de fluido en condiciones de flujo estacionarias. La presión, entalpía específica y velocidad del fluido, varían a su paso por la máquina. al tiempo que fluye la unidad de masa fluida, tiene lugar una transferencia de trabajo y calor.

 

Normalmente, la velocidad en la tubería de entrada y de salida es parecida, y baja en comparación de las velocidades dentro de la turbina, por lo que

 

q = h2 - h1 + w

 

En la práctica, las turbinas son máquinas compactas que trabajan a altas velocidades másicas, y aunque se produzca una transferencia de calor, la transferencia de calor por unidad de masa unitaria suele ser lo bastante pequeña como para poder despreciarse.

 

Por consiguiente w = h1 - h2

Expansión isentrópica

La expansión en una turbina ideal se produciría sin pérdida o ganancia de calor (es decir, adiabática) y sin ninguna disipación de la energía disponible debido a la fricción, el estrangulamiento, etc. (es decir, reversible). Un proceso reversible y adiabático es isentrópico (entropía constante).

 

Si se representa dicha expansión en un diagrama de entalpía - entropía, se puede determinar la transferencia ideal de trabajo.

 

Rendimiento isentrópico

Debido a las irreversibilidades de una auténtica turbina, la transferencia real de trabajo será menor que en una máquina ideal, y por lo tanto, la entalpía específica de salida será mayor que h2´. Los estados finales de una turbina real serán los siguientes, pudiéndose observar la disipación de energía disponible.

 

Rendimiento global 

Las pérdidas de energía en una turbina de acción son:

 

- Fricción del fluido en el estator (toberas).

- Fricción del fluido en los pasajes del rotor (álabes).

- Pérdidas de fluido en las puntas de los álabes o en las juntas.

- Fricción entre el rotor y el fluido.

- Pérdidas por ventilación.

- Energía cinética rechazada en el rotor.

 

Debido a la variación de entalpía a través de la turbina, la temperatura de escape estará normalmente por debajo de la del ambiente, por lo que habrá la correspondiente transferencia de calor a la caja.

 

Puesto que la turbina funciona a base de aire, resulta útil emplear un diagrama de temperatura - entropía y calcular la variación de entalpía.

Tipos de turbinas 

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 

 

Rotor de una turbina Pelton 

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. 

Turbinas eólicas 

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

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.

El turbocompresor o turboalimentador es básicamente un compresor accionado por los gases de escape, cuya misión fundamental es presionar el aire de admisión, para de este modo incrementar la cantidad que entra en los cilindros del motor en la carrera de admisión, permitiendo que se queme eficazmente más cantidad de combustible. De este modo, el par motor y la potencia final pueden incrementarse hasta un 35%, gracias a la acción del turbocompresor.Este dispositivo ha sido proyectado para aumentar la eficiencia total del motor. La energía para el accionamiento del turbocompresor se extrae de la energía desperdiciada en el gas de escape del motor, está compuesto de una rueda de turbina y eje, una rueda de compresor, un alojamiento central que sirve para sostener el conjunto rotatorio, cojinetes, un alojamiento de turbina y un alojamiento de compresor.

La rueda de turbina está situada en el alojamiento de turbina y está montada en un extremo del eje de turbina. La rueda del compresor está situada en el alojamiento dcl compresor y está montada en el extremo opuesto del eje de la rueda de turbina para formar un conjunto integral rotatorio.El conjunto rotatorio se compone de una rueda de turbina y eje formando conjunto, un aro de pistón, un espaciador de empuje, rueda de compresor y tuerca de retención de rueda. El conjunto rotatorio se apoya sobre dos cojinetes lubricados a presión mantenidos en el alojamiento central por aros de resorte. Conductos internos de aceite están perforados en el alojamiento central para proveer lubricación a los cojinetes de eje de rueda de turbina, la arandela de empuje, collarín de empuje y espaciador de empuje.El alojamiento de la turbina es una pieza de fundición de aleación resistente al calor que aloja la rueda de turbina y proporciona una entrada embridada de gas de escape del motor y una salida axialmente situada de gas de escape del turbocompresor. El alojamiento de turbina está empernado al extremo de turbina del alojamiento central, proporcionando así un conjunto compacto y libre de vibraciones.El alojamiento de compresor que aloja la rueda de compresor provee una entrada de aire de ambiente y una salida de descarga de aire comprimido. El alojamiento de compresor está sujeto por abrazaderas al extremo de compresor del alojamiento central.Según el método empleado para conseguir esta densidad superior a la normal (comprimir el aire) podemos distinguir:Compresores Volumétricos: utilizan parte del par transmitido por el motor.Turbocompresores y Sistema Comprex: en ambos sistemas se aprovecha la energía de los gases de escape.Los compresores volumétricos funcionan acoplados directamente al cigüeñal del motor, que transmite el giro a alguna parte del compresor volumétrico(según del tipo que se trate) que a su vez introduce el aire a alta presión en los cilindros del motor. La ventaja fundamental sobre los turbocompresores es que los efectos de los compresores volumétricos se aprecian incluso a regímenes bajos del motor. Su desventaja es que roban parte de la potencia del motor para poder funcionar aunque luego la devuelven con creces. Algunas de las marcas comerciales de compresores desarrollados son:Constitución del turbocompresorEl turbocompresor está compuesto de tres secciones: la carcasa central, la turbina y el compresor.La carcasa central contiene dos cojinetes planos, juntas de tipo segmento y un manguito de separación. Posee también conductos para el suministro y vaciado del aceite que entra y sale de la carcasa.La rueda de la turbina gira dentro de su carcasa y es solidaria con el eje central, que gira apoyado en unos cojinetes lisos, acoplados en el interior de la carcasa central. La rueda del compresor, que se monta en el otro extremo del eje, forma con la de la turbina un conjunto de rotación simultánea.Un turbocompresor puede girar a velocidades de 120.000 RPM. En algunas unidades de alto rendimiento.Funcionamiento del turbocompresorEn términos generales existen dos tipos de turbocompresor: el de impulso y el de presión constante. Cada uno tiene sus propias características de funcionamiento y, sin embargo, ambos actúan de la misma forma básica.El turbocompresor está montado en la brida de salida de escape del colector de escape del motor. Una vez puesto en marcha el motor, los gases de escape de motor que pasan a través del alojamiento de turbina hacen que giren la rueda de turbina y el eje, los gases se descargan a la atmósfera después de pasar por el alojamiento de turbina.

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos6/turbo/turbo.shtml#ixzz3B5Neyc2M

La rueda del compresor, que está montada en el extremo opuesto del eje de la rueda de turbina, gira con la rueda de turbina. La rueda de compresor aspira el aire de ambiente al alojamiento de compresor, comprime el aire y lo manda al soplador del motor.Durante el funcionamiento, el turbocompresor responde a las exigencias de carga del motor reaccionando al flujo de los gases de escape del motor. Al ir aumentando cl rendimiento del motor aumenta el flujo de los gases de escape y la velocidad y el rendimiento del conjunto rotatorio aumentan proporcionalmente mandando mas aire al soplador del motor.Algunos motores están dotados de Ínter enfriadores para reducir la temperatura de descarga del aire del turbocompresor antes de su entrada en el sopladorEl turbocompresor tipo impulso, necesita un colector de escape especialmente diseñado para llevar impulsos de escape de alta energía a la turbina del turbocompresor. Este diseño, con sus bifurcaciones individuales, como se muestra en la figura 4.4, evita la interferencia entre las descargas de gas de escape procedentes de los distintos cilindros del motor, produciéndose de este modo una corriente de impulso de alta velocidad, que no se consigue con otros diseños.En algunas aplicaciones, la carcasa de la turbina se divide en dos zonas (impulso dividido), consiguiéndose con ello una mejor ayuda para cebar el conjunto de rotación, al inicio de ésta. El diseño presenta dos cámaras en espiral, en vez de una. El término "cámara en espiral" viene dado por la forma en espiral de la carcasa de hi turbina, la cual disminuye en volumen hacia el centro, como la concha de un caracol.Cada cámara recibe la mitad de la corriente de escape del motor, por ejemplo, en un motor de cuatro cilindros, los dos delanteros vierten el gas de escape en la cámara primera, mientras que los otros dos lo hacen en la segunda.

Con el tipo de turbocompresor de presión constante, el gas de escape de todos los cilindros fluye al interior de un colector común, donde desaparecen los impulsos, dando lugar a una entrada del gas en la turbina a una presión constante.En ambos tipos de turbocompresor, el gas de escape entra en la turbina formando un anillo en espiral (toroide), lo que produce una aceleración radial a una presión reducida y velocidad incrementada sobre las paletas de la turbina, las cuales están especialmente diseñadas, de tal forma que se aproveche la fuerza del gas para la impulsión de la turbina, su eje y la rueda del compresor unida a él.El conjunto del compresor es de diseño y construcción similar, tanto en el turbocompresor de impulso, como en el de presión constante.El compresor consta de una rueda y una carcasa, que lleva incorporada una única espiral o difusor. El aire entra en la cámara del compresor (aspirado por el giro del mismo) entre las paletas de la rueda, y es expulsado por efecto de la fuerza centrífuga, al interior de la espiral durante la rotación de la rueda. En este momento la velocidad del aire disminuye y se produce el correspondiente incremento de la presión. A medida que el aire asciende alrededor de la espiral, se va reduciendo su velocidad y la presión aumenta en función del diámetro de la sección transversal de la cámara.En resumen, el turbocompresor tipo impulso presenta una rápida excitación del conjunto giratorio, debido a la rápida sucesión de impulsos de gas de escape sobre el conjunto de la turbina. Se usa principalmente en aplicaciones automotrices, cuando es importante la respuesta en aceleración.Los turbocompresores de presión constante son utilizados principalmente en grandes motores Diesel, en máquinas excavadoras y en aplicaciones marinas, donde la respuesta de aceleración no es tan crítica.Para motores alimentados con carburador, según donde se coloque el sistema de sobrealimentación se pueden distinguir dos casos:Colocación del turbocompresor.Para motores alimentados con carburador, según donde se coloque el sistema de sobrealimentación se pueden distinguir dos casos:Carburador soplado: el carburador se sitúa entre el compresor y el colector de admisión. De esta forma el aire que entra en el compresor es aire limpio directamente del exterior.Carburador aspirado: el carburador se monta antes del compresor por lo que en este caso lo que se comprime es una mezcla de aire y gasolina.Este último sistema fue el más utilizado en las primeras aplicaciones de la sobrealimentación, por su sencillez y porque proporcionaba una mezcla de aire- gasolina de temperatura más baja que el sistema soplado.Sin embargo acualmente se utiliza más el sistema de carburador soplado ya que este sistema permite la utilización de un intercambiador de calor o intercooler. Para motores diesel o motores de gasolina alimentados por inyección esta clasificación no tiene sentido ya que los inyectores de combustible se colocan siempre despues del sistema de sobrealimentación

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