CAPITULO II MARCO TEÓRICO

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CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

En el presente capítulo se presentan cronológicamente los antecedentes,

mencionando el propósito de su realización, las conclusiones obtenidas y

como punto más relevante el aporte de los mismos para este trabajo.

Además se plantearán los conceptos de gran relevancia para sustentar el

presente trabajo especial de grado, donde se definirá un conjunto de puntos

necesarios para la evaluación de las propiedades termo-mecánicas para las

condiciones de operación en las calderas de la Tintorería y Lavandería

LEVIS C.A, mediante los aportes de diferentes autores.

1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN

Los antecedentes que se presentan a continuación se han obtenido de

trabajos previos relacionados con el tema estudiado. Estos permitirán

obtener y ampliar los conocimientos que se tienen y servirán de aporte para

el desarrollo de este trabajo de investigación.

Pocas tecnologías han aportado tanto el desarrollo de la humanidad como

la generación y utilización del vapor en procesos tecnológicos. Los

antecedentes de su uso se remontan a épocas antes de nuestra era, y se

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dice que constituyó la chispa de la Revolución Industrial, momento a partir

del cual se produce el desarrollo acelerado de la industria moderna de

procesos. Los sistemas de vapor tienen hoy en día un uso muy extenso en

aplicaciones diversas, tales como generación de energía mecánica y

eléctrica, como agente calefactor en servicios comerciales e industriales, y

como materia prima en determinados procesos entre otros.

Según Luis Verdezoto (2014) en su trabajo de grado titulado “CONTROL

PREDICTIVO GENERALIZADO DE UNA CALDERA DE TUBOS DE

FUEGO” plantea que debido a la evidente necesidad de utilizar de forma

inteligente y racional los combustibles fósiles, sobre todos en aquellos

equipos que son considerados como consumidores de alto nivel, y a la actual

problemática ambiental que vivimos, esta tesis se encuentra dirigida al

desarrollo de un controlador predictivo generalizado para una caldera de

tubos de fuego que posibilite elevar la efectividad y fiabilidad en su

funcionamiento, así como disminuir su actual consumo de combustible y

emisión de gases contaminantes al medio ambiente.

Teniendo en cuenta que la variación de la presión del vapor es el proceso

que presenta un mayor significado en el funcionamiento de las calderas

pirotubulares, ya que el control de la combustión se realiza mediante el

control de la presión del vapor, esta tesis presenta el siguiente objetivo:

desarrollar un sistema de control predictivo generalizado para una caldera

pirotubular que disminuya el consumo de combustible y los gases

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contaminantes emitidos hacia el medio ambiente, y que garantice al menos el

control de la presión de vapor en el cuerpo de agua.

Para cumplir con este objetivo es necesario desarrollar las siguientes

tareas: seleccionar un modelo matemático (orientado al control) que describa

con un adecuado nivel de exactitud el comportamiento dinámico de la

caldera: diseñar un sistema de control predictivo generalizado del proceso

bajo estudio. Este trabajo de grado proporciona conocimientos que será de

gran utilidad a la hora de construir la base teórica de todos los conocimientos

relacionados a las calderas que será el contexto de estudio en esta

investigación

Según Rufino Gregorio (2013) en su trabajo de grado titulado “ANALISIS

TERMODINAMICO PARA EL MEJORAMIENTO DE LA EFICIENCIA DE LA

OPERACIÓN DEL INGENIO TULULA” plantea que El siguiente trabajo de

investigación trata sobre el estudio para el mejoramiento de la eficiencia de la

caldera del Ingenio Tulula S.A., dicha empresa se dedica a la producción de

azúcar para exportación. La primera parte del mismo son generalidades

acerca de la caldera de vapor, conceptos básicos utilizados en la producción

del vapor y conceptos acerca de todos los equipos que afectan la eficiencia

de operación de una caldera. Más adelante se encuentran las propuestas

que se presentan para mejoramiento de la eficiencia de operación de la

caldera, abarcando instalaciones, equipos.

En esta sección del cuerpo del trabajo se propone la instalación de un

economizado el cual se encarga de calentar el agua de alimentación de la

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caldera. La parte final del trabajo trata sobre el funcionamiento del

economizador propuesto para la caldera.

Este trabajo de grado brinda información sobre las propiedades

termodinámicas que se busca mejorar dentro de la caldera así como también

proporcionara conocimiento adicional sobre los instrumentos que se deben

utilizar para medir los parámetros en que estas propiedades deben estar en

condiciones adecuadas.

Según Fabrizzio Cáceres y Lucy Salgado (2015) en su trabajo de grado

titulado “DISEÑO TERMO-HIDRAULICO DE UNA CALDERA PARA

RECUPERAR LA ENERGIA DE LOS GASES DE ESCAPE DE UNA

TURBINA DE GAS” plantean que su proyecto de tesis estuvo enfocado en

desarrollar el modelo que considere, de una manera bastante cercana, las

dimensiones y la eficiencia en el diseño de una caldera para recuperar la

energía de los gases de escape de una turbina de gas por medio del análisis

térmico del ciclo combinado, y así determinar si los parámetros encontrados

están dentro de las condiciones normales de operación.

El objetivo principal de este trabajo especial de grado fue determinar la

capacidad y viabilidad de la caldera, por medio del diseño de un modelo

matemático que pudiera realizar los cálculos necesarios para el análisis de

este sistema, así como conocer las características tanto de la fuente de calor

como las del proceso que se quiere alimentar en términos de flujos, calores

específicos y temperaturas; De esta forma por medio de los resultados

obtenidos establecer si el diseño de ésta caldera es correcto.

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Esta caldera, formada por el evaporador, súper-calentador y el

economizador, permite la producción de vapor de agua sobrecalentada o de

flujo térmico a partir de los gases de combustión proveniente de la turbina de

gas.

El diseño se inicia mediante el conocimiento de los rangos de flujo de

calor sobre los cuales va a trabajar la turbina de gas; para el proyecto se

toma los rangos de una turbina de gas modelo LM 5000; luego se realiza el

análisis del intercambiador de calor por medio del uso de la temperatura

media logarítmica y flujo cruzado, en el cual se establece cuáles fueron los

flujos de calor presentes en la caldera. El análisis se lleva a cabo por medio

de la ecuación de transferencia de calor así como también de la ecuación del

calor transferido para el súper-calentador y el economizador, para así

obtener la capacidad de transferencia de calor hacia el agua, la cual se

encuentra en el interior de los tubos.

Es importante indicar que para el análisis de la caldera de recuperación

de calor (intercambiador de calor) se emplea el método de presión simple, el

cual consta de un súper-calentador, un evaporador y un economizador; en

cada elemento de la caldera se toma en cuenta detalles específicos. En el

economizador se toma en cuenta la diferencia entre la temperatura de

saturación del agua a la presión de trabajo al igual que la temperatura del

agua a la salida de dicho elemento (approach point), mientras que en el

evaporador se toma como referencia la diferencia de temperatura entre los

gases de escape de salida tanto del evaporador como la temperatura de

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saturación del agua a la presión de trabajo (pinch point). Finalmente, se

encuentra las dimensiones de cada elemento de la caldera.

Una vez obtenidas las dimensiones y el diseño, se procede a encontrar la

eficiencia de operación de la caldera de recuperación de calor así como el

dimensionamiento de la bomba con la cual se va a operar este sistema.

Este trabajo especial de grado sirve como referencia para el marco de

conocimientos sobre los tipos de calderas existentes, toda la información

relacionada a las propiedades termodinámicas de la generación de vapor y

otros dispositivos que trabajan en conjunto con las calderas.

2. BASES TEÓRICAS

A continuación se presenta la sección donde se hace referencia a los

planteamientos teóricos conceptuales que servirán de soporte a la

investigación principal por lo que será un complemento relacionado con el

tema para sustentar la información contenida en todos los párrafos teniendo

validez y bases sólidas de los datos.

2.1. ENERGÍA

Según Rodríguez, Izquierdo y Falcón (2008, p.14) definen la energía

como la capacidad que tienen los cuerpos para producir trabajo: trabajo

mecánico, emisión de luz, generación de calor entre otros.

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Por otro lado Bragado (2003, p.47) considera tácitamente la energía como

la capacidad para hacer un trabajo, o bien el trabajo “acumulado” por un

cuerpo.

Por lo cual se puede definir la energía como la capacidad o habilidad que

posee un cuerpo de generar trabajo o, concluyendo de una manera menos

formal, colocar algo en movimiento.

2.2. TIPOS DE ENERGÍA

La energía puede manifestarse de diferentes maneras:

2.2.1. ENERGÍA CINÉTICA

Según Bragado (2003, p.47) define la energía cinética como la que tiene

un cuerpo por desplazarse a determinada velocidad. Además añade que

realmente resulta un poco sorprendente que un cuerpo, por el mero hecho de

moverse, tenga un tipo de energía, pero no tenemos más que pensar que

efectivamente, en caso de un choque, por ejemplo, este cuerpo es capaz de

producir un trabajo (de deformación, o del tipo que sea) y por tanto, debe de

tener una energía.

Además Suarez y Brett (2011, p.302) plantean que la energía cinética es

la capacidad que tienen los cuerpos de realizar un trabajo en virtud de su

movimiento.

Se puede concluir según las definiciones planteadas por los autores que

la energía cinética corresponde al trabajo o las transformaciones que puede

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producir un cuerpo debido a su movimiento, es decir, cualquier cuerpo en

movimiento tiene energía cinética.

2.2.2. ENERGÍA INTERNA

Según Serway y Jewett (2005, p.554) definen la energía interna como

toda la energía de un sistema que se asocia con sus componentes

microscópicos, átomos y moléculas cuando se ve desde un marco de

referencia en reposo respecto al centro de la masa del sistema.

Según Cengel (2009, p.53) plantea que la energía interna es la suma de

todas las formas microscópicas de energía se define como la energía interna

de un sistema y se denota mediante U.

Siendo así se puede definir la energía interna como toda la energía

almacenada dentro de un sistema gracias al movimiento de cada molécula o

átomo que la compone.

2.2.3. ENERGÍA QUÍMICA

Según González (2007, p.1) es la energía que posee un cuerpo debido a

sus estructura interna (molecular, atómica o nuclear). Por ejemplo cuando

quemamos carbón

Podemos decir que la energía química es la que se produce en las

reacciones de energía que emana de una reacción química por ejemplo

cuando se quema, las pilas, las baterías entre otros.

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2.2.4. ENERGÍA TÉRMICA

Según González (2007, p.1) es la energía que posee un cuerpo en virtud

a la cantidad de calor que puede absorber o ceder. Así cuando calentamos

agua, estamos transfiriendo energía térmica

Se puede decir que la energía térmica es aquella que se libera en forma

de calor. Para que esto ocurra se transfiere calor, es necesario que exista

una diferencia de temperatura entre los distintos cuerpo.

2.3. TERMODINÁMICA

Según Cengel y Boles (2006, p.2) la termodinámica es una rama de física

y se le define como la ciencia se encarga del estudio de la energía. El

término ‘’termodinámica’’ proviene de las palabras griegas ‘’therme’’ (calor) y

‘’dynamis’’ (fuerza), lo cual corresponde a su enfoque de estudio más

antiguo, el cual es la búsqueda de los primeros esfuerzos por convertir el

calor en energía.

Hoy en día la Termodinámica sigue enfocándose en el estudio de convertir

esfuerzos en calor o energía, pero no solo esto, también hay un campo de

aplicación mucho más grande como lo es: en ingeniera para el uso de

nuevas energías más limpias y diseños de maquinarias más eficientes tanto

a nivel industrial como doméstico, en esta última se puede nombrar el diseño

de mejores calentadores para la época de invierno.

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Por otro lado Hewitt (1995, p.376) define que la termodinámica es la

ciencia que estudia el comportamiento y transformaciones de la energía para

así poder obtener un benéfico de esta. Esta es una ciencia esta exacta ya

que desde sus inicios en el siglo XVIII se usó para describir, predecir y

optimizar la operación de máquinas de vapor mediante modelos

matemáticos.

Se puede observar en los conceptos expuestos con anterioridad que

ambos autores concuerdan que la termodinámica es la ciencia que se

encarga del estudio de la energía y sus transformaciones mediante modelos

matemáticos que permiten predecir y describir con mayor exactitud su

comportamiento para un posterior aprovechamiento óptimo de esta en los

equipos de uso tanto industrial como doméstico.

2.3.1. SISTEMAS

Según Cengel y Boles (2006, p.46) un sistema se define como una

cantidad de materia o una región del espacio elegida para el análisis en

donde interactúan 2 o más elementos y está delimitada por una superficie

arbitraria.

Se puede concluir entonces que un sistema en términos termodinámicos

trata de una región del espacio dentro de la cual existen diferentes

componentes que interactúan entre sí, intercambiando energía y en

ocasiones masa.

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2.3.2. SISTEMAS ABIERTOS

Según Cengel y Michael Boles (2008, p.10) a este tipo de sistemas

también se les conoce por el nombre de volumen de control y estos son una

región elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un

dispositiva que tiene que ver con flujo másico, como un compresor, turbina o

tobera.

El tamaño y forma de un volumen de control es completamente opcional,

aunque los contornos se eligen a menudo para hacerlos coincidir con algún

contorno solido u otro contorno natural de flujo. Así mismo Franzini y

Finnemore (1999, p.70) se refiere a un sistema abierto como una zona fija en

el espacio que no cambia de forma pero si de cantidad de masa. Se suele

elegir como una zona en que la entra y sale flujo. Su contorno cerrado se les

denomina superficie de control. Esta superficie puede estar en movimiento

por el espacio con respecto a algún sistema de referencia absoluto.

2.3.3. SISTEMAS CERRADOS

Según Cengel y Boles (2009, p.46) un sistema cerrado consta de una

cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Es decir,

ninguna masa puede entrar o salir de un sistema cerrado pero la energía, en

forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera; y el volumen de un sistema

cerrado no tiene que ser fijo.

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Así mismo los autores Wark y Richards (2001, p.9) denominan a un

sistemas cerrado como ‘’masa de control’’ ya que este es un sistemas en

donde la masa no atraviesa la frontera. Aunque la cantidad de masa es fija

en un sistema cerrado, la energía puede atravesar su frontera. También

puede cambiar la composición química de la materia que se encuentra

dentro de la frontera.

De esta forma se puede decir que un sistema cerrado es aquel que tiene

permitido intercambiar energía con los alrededores del sistema bajo la

condición de que su masa no cambie bajo ninguna circunstancia. Un ejemplo

que permite mejor el entendimiento de este concepto es imaginar una caja

sellada con una cantidad ‘X’ de masa, sin importar cuanto se caliente o se

enfrié la caja y cambios de estados que experimente la materia, esta no

cambiara su masa ya que esta sellada.

2.3.4. FRONTERA

Los autores Cengel y Boles (2006, p.10) definen la frontera como una

superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores. La

frontera de un sistema puede ser fija o móvil. La frontera es la superficie de

contacto que comparten sistema y alrededores. En términos matemáticos, la

frontera tiene espesor cero y, por lo tanto, no puede contener ninguna masa

ni ocupar un volumen en el espacio.

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2.4. PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

Según Cengel y Boles (2006) la termodinámica posee dos (2) principios

esenciales: primer principio y segundo principio.

Según Hewitt (1995, p.378-383) los principios esenciales para el estudio

de la termodinámica son dos (2): primer principio y segundo principio.

2.4.1. PRIMER PRINCIPIO

Según Cengel y Boles (2008, p.164) este principio también se le conoce

por el nombre de principio de conservación de la energía y declara que “la

energía no puede crearse ni destruirse, solo transformarse” este brinda una

base sólida para estudiar las relaciones entre las diversas formas e

interacciones de energía con base en observaciones experimentales. A partir

de observaciones experimentales, la primera ley de la termodinámica

establece que la energía no se puede crear ni destruir durante un proceso;

sólo puede cambiar de forma. Por lo tanto, cada cantidad de energía por

pequeña que sea debe justificarse durante un proceso.

Sabiendo esto se concluir que el primer principio de la termodinámica es

de gran importancia porque sirve como base para el estudio de diversas

formas de interacción de energía, por lo cual siempre debe de tomarse en

cuenta para el análisis de un sistemas recibe que calor, para saber las

diferentes transformaciones energía que puede experimentar el sistema y así

poder justificarlas matemáticamente.

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2.4.2. SEGUNDO PRINCIPIO

Según Cengel y Boles (2006, p.279-281) El Segundo principio dela

termodinámica afirma que los procesos suceden en cierta dirección y que la

energía tiene calidad así como cantidad. Un proceso no es posible a menos

que satisfaga tanto el primer como el segundo principio de la termodinámica,

además La segunda ley de la termodinámica se usa para determinar los

límites teóricos en el desempeño de sistemas de ingeniería de uso ordinario,

como máquinas térmicas y refrigeradores, así como predecir el grado de

terminación de las reacciones químicas.

Según Hewitt (1995, p.383) la segunda ley nos indica la dirección en la

que fluye la energía en los procesos naturales y está establece que ‘’ El calor

jamás fluye espontáneamente de un objeto frio a un objeto frio

espontáneamente’’ el calor solo fluye en una dirección: cuesta abajo, de lo

caliente a lo frio. En invierno, el calor fluye de interior de una casa caliente al

frio del exterior.

Se puede observar que ambos autores concuerdan sobre que la segunda

ley de la termodinámica afirma que todos los procesos termodinámicos

suceden en una dirección: de arriba hacia abajo, es decir, solo de lo caliente

a lo frio. Para esta ley se cumpla es necesario que primera también se

cumplan y además proporciona un marco de referencia que permite

determinar el comportamiento teórico de diferentes maquinas térmicas como

lo son los refrigerados y bombas.

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2.5. MAQUINAS TÉRMICAS

Según Cengel y Boles (2008, p.282) Una maquina térmica es un

dispositivo que permite transformar el calor en trabajo y que siempre cumplen

4 características: 1. Reciben calor de una fuente a temperatura alta (energía

solar, horno de petróleo, reactor nuclear, etcétera). 2. Convierten parte de

este calor en trabajo (por lo general en la forma de una flecha rotatoria). 3.

Rechazan el calor de desecho hacia un sumidero de calor de baja

temperatura (la atmósfera, los ríos, etcétera). 4. Operan en un ciclo.

A su vez Hewitt (1995, p.384) dice que una maquina térmica es un

dispositivo capaz de transforma energía interna en trabajo mecánico y que

cumplen con 3 características: 1. Absorbe energía interna de un deposito a

mayor temperatura. 2. Convierte parte de esa energía en trabajo mecánico.

3. Cede energía restante a un depósito a menor temperatura.

En Base a conceptos desarrollados previamente se puede concluir que

una máquina térmica es un dispositivo que convierte energía diferentes tipos

de energía en otras formas útiles de energía, como la energía eléctrica y/o

mecánica. De manera explícita, una máquina térmica es un dispositivo que

hace que una sustancia de trabajo recorra un proceso cíclico durante el cual

1) se absorbe calor de una fuente a alta temperatura, 2) la máquina realiza

un trabajo y 3) libera calor a una fuente a temperatura más baja.

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2.5.1. REFRIGERADORES

Según Cengel y Boles (2008, p.287) es una maquina o dispositivo térmico

que transfiere calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia

otro medio de temperatura alta. De la misma forma que un motor térmico,

esta transferencia tiene lugar hacia y desde el fluido de trabajo que realiza el

proceso cíclico desde el interior del dispositivo. El único objetivo de un

refrigerador es mantener la temperatura baja eliminando calor del medio.

A través de lo expuesto anteriormente se entiende que un refrigerador es

un dispositivo o maquina térmica que permiten mantener la temperatura baja

de un medio mediante la extracción de calor de este constantemente y luego

transfiriendo el calor a una sustancia (generalmente gas) que posteriormente

es conducido a otro medio de mayor temperatura (medio ambiente).

2.5.2. BOMBAS DE CALOR

Según Cengel y Boles (2006, p.289) Es una maquina térmica que

transfiere calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro

de temperatura alta. El objetivo de una bomba de calor, sin embargo, es

mantener un espacio calentado a una temperatura alta. Esto se logra

absorbiendo calor desde una fuente que se encuentra a temperatura baja,

por ejemplo, agua de pozo o aire frío exterior en invierno, y suministrando

este calor a un medio de temperatura alta como una casa.

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Por otro lado Wark y Richards (2001, P.255) afirman que una bomba de

calor mantiene una región a una determinada temperatura alta

suministrándole calor desde una fuente a temperatura baja. Por ejemplo, en

un día frio de invierno una casa o una oficina pueden calentarse por medio

de una bomba de calor tomando energía de la tierra o del aire exterior.

Además, una bomba puede utilizarse para suministrar energía a

determinados procesos industriales.

Entiende entonces que una bomba de calor es una dispositivo térmico

que permite mantener un medio a alta temperatura mediante la extracción de

energía de una sustancia (Liquida o gaseosa) que se encuentra en un medio

de menor temperatura con el fin de hacer más cómodo el ambiente (en el

caso de hogares durante el invierno) o para proporcionar la energía

necesaria para llevar a cabo un proceso industrial como lo son el destilado, la

obtención de concentrados y el secado.

2.6. TURBOMAQUINAS

Según J. Muñoz y R. Santos (2014, p.3) una turbo-máquina intercambia

energía continuamente con un fluido y transforma la energía mecánica que

entra por un eje a energía cinética que se le comunica al fluido o viceversa.

El intercambio de energía se realiza en un rotor o impulsor provisto de alabes

o paletas, el cual interactúa con el fluido a través del principio de

conservación de cantidad de movimiento angular.

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En las turbo-máquinas llamadas también máquinas de corriente, los

cambios en la dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido juegan un

papel esencial. El órgano transmisor de energía (conocido como rodete, rotor

o impulsor) se mueve siempre con movimiento rotativo. El principio de

funcionamiento de las turbo-máquinas es la ecuación de Euler. Son

máquinas dinámicas y ocurren cambios de velocidades importantes dentro

de ellas. Las bombas dinámicas proporcionan generalmente mayor caudal

que las bombas de desplazamiento positivo y una descarga más

estacionaria, pero son poco efectivas para bombear líquidos muy viscosos.

2.6.1. BOMBAS

Según Cengel y Cimbala (2006, p.736) una bomba es cualquier

dispositivo o maquina hidráulica que añade energía a un fluido. El fluido

incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y sólidos como

puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al incrementar

la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su altura, todas

ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se

utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema

hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión a otra de

mayor presión.

A su vez Corcho (2000, p.473) explica que una bomba es una maquina

hidráulica donde se produce un cambio de momento angular de un impulsor

rotativo por la acción de un motor que induce energía mecánica para que se

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transforme en energía hidráulica (aumento de velocidad y presión del fluido).

Lo fluidos que son el medio del intercambio de energía se consideran como

incompresibles.

Analizando con detalle lo desarrollado con anterioridad se puede definir

una bomba como una turbomaquina que permite añadir energía mecánica

aun fluido (líquido o gaseoso) incomprensible por la acción de un impulsor

rotativo, este cambio de energía se ve reflejado en el fluido como un

aumento de la velocidad y presión del mismo dentro del sistema cerrado al

cual pertenece (tuberías).

2.6.2. COMPRESOR

Según Cengel y Cimbala (2006, p.736) un compresor es una bomba de

gas diseñada para entregar caudales, desde bajos hasta moderados, a una

presión muy alta. Como ejemplos están las compresoras de aire que activan

herramienta neumática y que llenan de aire las llantas de los vehículos en las

estaciones de servicio, además los compresores de gas refrigerante que se

utilizan en las bombas de calor, refrigeradores y acondicionadores de aire.

De esta forma se puede decir que un compresor es un dispositivo al cual

también se le puede llamar bomba de gas que tiene como única función

proporcionar energía a un fluido comprensible, esto se debe a que

proporciona mayores cantidades de fluido a un sistema donde el volumen no

varía y como consecuencia aumenta la presión de este.

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2.6.3. TURBINAS

Según Cengel y Cimbala (2006, p736) las turbinas son dispositivos que

producen energía porque extraen la energía del fluido y transforman la mayor

parte de esa energía a una forma de energía mecánica, casi siempre

mediante una flecha rotatoria. El fluido en la descarga de la turbina

experimenta una pérdida de energía, por lo general en forma de pérdida de

presión.

Sabiendo esto se puede definir una turbina como una turbomaquina

motora por la cual fluye una corriente de fluido continuamente (líquido o

gaseoso) a través de un rodete con paletas o álabes y que permite

transformar la energía mecánica producida por el movimiento de los alabes

en otros tipos de energía que generalmente son eléctrica.

2.7. CICLO DE CARNOT

Según Young y Freedman (2009, P.685) El ciclo de Carnot consiste en

dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos, todos reversibles. La figura

muestra un ciclo de Carnot que emplea como sustancia de trabajo un gas

ideal en un cilindro con un pistón, y consta de los siguientes pasos:

El gas se expande isotérmicamente a temperatura TH, absorbiendo

calor QH (ab).

El gas se expande adiabáticamente hasta que su temperatura baja a

TC (bc).

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El gas se comprime isotérmicamente a TC, expulsando calor.

El gas se comprime adiabáticamente hasta su estado inicial a

temperatura TH (da).

2.8. EFICIENCIA TÉRMICA

Según Cengel y Boles (2003, p439) la salida neta de trabajo de una

máquina térmica es siempre menor que la cantidad de entrada de calor. Es

decir, sólo parte del calor transferido a la máquina térmica se convierte en

trabajo. La fracción de la entrada de calor que se convierte en salida de

trabajo neto es una medida del desempeño de una máquina térmica y se

llama eficiencia térmica.

2.9. MECÁNICA

Según Porto y Merino (2008, p.1) mecánica es aquello que ejerce un

mecanismo o aquello que puede provocar diversos efectos físicos, como una

erosión o un choque. También se trata de la rama de la física dedicada a

estudiar el movimiento y el equilibro de los cuerpos que se someten a una

fuerza

Asimismo Riley (2005, p.2) define la mecánica como la rama de la física

que trata la respuesta de los cuerpos a la acción de las fuerzas. Por

convivencia, se divide su estudio en tres partes, cuales son: mecánica de los

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cuerpos rígidos, mecánica de los cuerpos deformables y mecánica de los

fluidos.

Se entiende que la mecánica es una de las ramas de la física que se ocupa

del movimiento de los objetos y de su respuesta a las fuerzas, no importando

cuál sea su naturaleza o de las interacciones que estén sujetas. Se podría

indicar además como el movimiento de un cuerpo donde está pueden estar

influenciado por los cuerpos que lo rodean dentro de un sistema; esto es por

sus interacciones con ellos.

2.10. TIPOS DE MECÁNICA

La mecánica está dividida en distintas ramas, estas son:

2.10.1. MECÁNICA CLÁSICA

Según Chinea (2007, p.4) la mecánica clásica se construye como

necesidad lógica de conectar las interacciones provocadoras del movimiento

de las distribuciones materiales con la cinemática de las mismas (con las

componentes de velocidad, con las componentes de aceleración, con las

coordenadas).

Asimismo Miralles, Vázquez y Monteverde (2006, p.1) definen la

mecánica clásica como la rama de la física que se ocupa de comprender y

analizar los distintos cambios de posiciones de los cuerpos en función del

tiempo. Sirve como base para explicar los fenómenos que hacen que el

movimiento humano sea un complejo sistema de mecanismos integrados.

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En base a los conceptos previamente desarrollados se podría decir que la

mecánica clásica es uno de los principales campos de estudio de la ciencia

de la física que ocupa el movimiento y los distintos cambios en los cuerpos

con mecanismos distribuidos dentro de un límite determinado por la acción

de un sistema de fuerzas.

2.10.2. MECÁNICA DE FLUIDOS

Según Domingo (2008, p.5) la mecánica de fluidos estudia las leyes del

movimiento de los fluidos y sus procesos de interacción con los cuerpos

sólidos. Hoy en día se conoce como una mezcla de teoría y experimento que

proviene por un lado de los trabajos iniciales de los ingenieros hidráulicos, de

carácter fundamentalmente empírico, y por el otro del trabajo de básicamente

matemáticos, que abordaban el problema desde un enfoque analítico.

En este mismo orden de ideas, Moran (2010, p.10) la mecánica de fluidos

viene a ser la mecánica general aplicada al estudio de los fluidos en reposo

al igual que en movimiento, por lo que se emplean los mismos principios

generales: conservación de la masa y energía.

Se puede observar que los autores antes mencionados tienen cierta

similitud ya que todos coinciden que la mecánica de fluidos es la rama de la

ciencia que estudia los fluidos en sus diferentes estados bien sea sólido,

líquidos y gases así como sus procesos industriales donde se pueden aplicar

y de igual manera el movimientos que estos tienen al tener contacto con

otros cuerpos.

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2.10.3. DINÁMICA

Según Miralles, Vázquez y Monteverde (2006, p.1) la dinámica es la rama

de la mecánica que se ocupa del estudio de los cuerpos que están en

movimiento y de las fuerzas que actúan sobre ellos, a su vez la dinámica se

divide en cinemática y cinética

Asimismo Ocón (2007, p.97) la dinámico del movimiento de los cuerpos

consiste en relacionar los movimientos con las causas, es decir con el motivo

por el cual un objeto en reposo deja de estarlo, o bien se detiene si estaba en

movimiento, o cambia repentinamente de dirección. Estos planteos encierran

dos conceptos elementales y básicos de la mecánica clásica: fuerza y

cambio de velocidad.

La dinámica estudia precisamente porque se mueve los cuerpos, es decir

cuáles son las causas que crean la variación de su estado de movimiento.

2.11. TERMOMECÁNICAS

Según Marchenko (2014, p1) La termo-mecánica es el estudio de las

máquinas y los materiales bajo condiciones de esfuerzo y temperatura para

la predicción del comportamiento del material o maquinas en una amplia

gama de parámetros que caracterizan su estado al igual que su estructura

para conocer como este comportamiento afecta el sistema productivo al cual

estos pertenecen.

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Es por ello que cuando se menciona la termo mecánica esta se refiere al

estudios de las diferentes propiedades termodinámicas que los cuerpos en

movimiento podrían tener para efectuar las distintas operaciones dentro de

un proceso productivo, es decir, estudia la variaciones de las temperaturas y

presiones dentro de los equipos que se encuentran en un proceso

productivo.

2.12. PROPIEDADES TERMOMECÁNICAS

2.12.1. ENTROPÍA

Según Hewitt (1995, p.378) la entropía es la medida del grado de

desorden molecular. La segunda ley de la termodinámica establece que, a la

larga, la entropía siempre crece. Las moléculas que escapan de una botella

de perfume pasan de un estado relativamente ordenado a un estado

desordenado. Si el desorden aumenta la entropía aumenta. Cuando se deja

que un sistema distribuya su energía con libertad, siempre lo hace de forma

tal que la entropía aumenta. Se denota con la letra ‘’ S ‘’.

De igual forma Young y Freedman (2009, P.691) afirman que la entropía

es una medida cuantitativa del desorden. Está directamente relacionada con

la temperatura, a medida que la temperatura aumenta, esta aumenta también

e igual inversamente. El flujo de calor irreversible aumenta el desorden

porque las moléculas inicialmente están acomodadas en regiones más

calientes o más frías.

38

Este ordenamiento se pierde cuando el sistema alcanza equilibrio térmico.

La adición de calor a un cuerpo aumenta su desorden porque aumenta las

velocidades moleculares medias y, con ello, la aleatoriedad del movimiento

molecular. La expansión libre de un gas aumenta su desorden porque las

moléculas tienen mayor aleatoriedad de posición después de la expansión.

Se denota con la letra S y está formada por las unidades J/kg.

De esta forma podemos concluir que la entropía es una propiedad de

cualquier sistema que permite medir cuantitativamente el desorden molecular

de este. Es una propiedad que está directamente relacionada con la

temperatura, es decir, que si la temperatura aumenta esta también y e igual

inversamente. Principalmente la entropía dentro del ámbito de la física así

como en la termodinámica se usa para calcular, mediante formular, la parte

de la energía por unidad de temperatura que no puede utilizarse para

producir trabajo.

2.12.2. ENTALPIA

Según Cengel y Boles (2003, p.126) la entalpia es una propiedad

termodinámica que descríbela cantidad de energía que un sistema puede

cambiar con su entorno y es utilizada para el estudio de ciertos procesos de

refrigeración y generación de potencia. Esta se define como la suma de U +

P.v (energía interna + presión x volumen). Se denota con la letra H.

39

2.12.3. ENERGÍA INTERNA

Según Paul G. Hewitt (1995, p.331) Un objeto cualquier como un libro

está formado por moléculas que se mueven de forma constante, es decir,

tienen energía cinética. Debido a las interacciones con las moléculas

vecinas, también tienen energía potencial y además sus páginas se pueden

quemar con facilidad energía por lo que se deduce que almacenan energía

química. La energía interna se define como la suma de todas las forma de

energía que contiene una sustancia u objeto. Se denota generalmente que la

letra griega μ

De igual forma los autores Cengel y Boles (2006, P. 53) Dicen que las

formas microscópicas de energía son las que se relacionan con la estructura

molecular de un sistema y el grado de la actividad molecular, y son

independientes de los marcos de referencia externos. La suma de todas

estas formas microscópicas de energía se denomina energía interna de un

sistema y se denota mediante U.

En base a estos conceptos desarrollados se puede concluir que la

energía interna es una suma de todos los tipos de energía que un cuerpo

puede poseer. La variación total de energía interna es igual a la suma de las

cantidades de energía comunicadas al sistema en forma de calor y de trabajo

y se calcula mediante la Formula

∆푈 = 푄 + 푊 (1)

40

2.12.4. DENSIDAD

Según Cengel y Boles (2003, p.13) la densidad se define como la masa

por unidad de volumen. Generalmente de denote con la letra griega ‘’p”.

2.12.5. TEMPERATURA

Según Hewitt (1995, p.328) es la cantidad que nos dice que tan caliente o

que tan frio esta un objeto respecto a cierta referencia.

Según Peña (2007, p.1) La temperatura es la cantidad de energía que

posee un cuerpo y además es una medida de su estado relativo de

calentamiento o enfriamiento.

2.12.6. CALOR

Según Cengel y Boles (2006, p.60) el calor está definido como la forma de

energía que se transfiere entre dos sistemas (o entre un sistema y sus

alrededores) debido a una diferencia de temperatura. Es decir, una

interacción de energía es calor sólo si ocurre debido a una diferencia de

temperatura. Entonces se deduce que no puede haber ninguna transferencia

de calor entre dos sistemas que se hallan a la misma temperatura.

Young y Freedman (2009, P.473) plantean que el término “calor” siempre

se refiere a transferencia de energía de un cuerpo o sistema a otro, a causa

de una diferencia de temperatura, nunca a la cantidad de energía contenida

en un sistema dado. Podemos modificar la temperatura de un cuerpo

41

agregándole o quitándole calor, o agregándole o quitándole energía de otras

formas, como trabajo mecánico. Podemos definir una unidad de cantidad de

calor con base en el cambio de temperatura de un material específico. La

caloría (abreviada cal) se define como la cantidad de calor necesaria para

elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5 °C a 15.5 °C. También se usa

la kilocaloría (kcal), igual a 1000 cal; las calorías de valor alimentario son en

realidad kilocalorías.

Tomando en cuenta los conceptos explicados con anterioridad se puede

definir el calor como la diferencia de energía entre 2 sistemas, es decir, la

cantidad de energía que estos pueden transferir el uno al otro. Esto solo

puede ocurrir siempre y cuando la temperatura entre los 2 sistemas sea

diferente el uno de la otra. Generalmente esta variable se denota con la letra

Q y sus unidades en el S.I son el Joule pero se usa con mayor frecuencia la

caloría que es un equivalente del Joule (4.184 Joule = 1 Caloría).

2.12.7. VISCOSIDAD

Según Cengel y Cimbala (2009, P.9) Cuando dos capas de fluido se

mueven una en relación con la otra, se desarrolla una fuerza de fricción entre

ellas y la capa más lenta trata de desacelerar a la más rápida.

Esta resistencia interna al flujo se cuantifica mediante la propiedad de

viscosidad del fluido, la cual es una medida de la adherencia interna de éste.

La viscosidad es causada por las fuerzas de cohesión entre las moléculas,

en los líquidos, y por las colisiones moleculares en los gases.

42

Según Young y Freedman (2009, P.473) la viscosidad es la fricción

interna en un fluido. Las fuerzas en relación con otra se oponen al

movimiento de una porción de un fluido en relación con otra, haciendo que

este se mueva con más fluidez o no. Esta propiedad está directamente

relacionada con la temperatura.

Ambos autores están de acuerdo sobre que la viscosidad es la fuerza de

fricción que se origina por el movimiento de las diferentes capas que posee

un fluido y que se opone al movimiento de las otras capas que se mueven

con mayor rapidez. Esta propiedad se ve influida enormemente por la

temperatura ya que mientras más caliente (más energía posea) este un

fluido, con mayor fluidez podrá moverse y mientas más se enfrié el fluido con

menos fluidez podrá moverse, es decir, que es una propiedad que es

directamente proporcional a la temperatura.

2.12.8. PRESIÓN

Según Wark (2001.pg. 12) La presión se define como la fuerza por unidad

de área que actúa sobre la frontera de un sistema.

2.12.9. VOLUMEN ESPECÍFICO

Según Cengel y Boles (2003, p.13) que se define como el volumen por

unidad de masa.

43

2.12.10. PESO ESPECÍFICO

Según Cengel y Boles (2003, p.7) El peso específico se define como el

peso del volumen unitario de una sustancia (γ) y se determina a partir de la

expresión γ = ρ.g donde: ρ = densidad y g = gravedad.

2.12.11. CAUDAL

Según Cromer (2006, p.230) el caudal (Q) de un fluido es el volumen de

un fluido que atraviesa por segundo una superficie dada, generalmente estas

superficies son tuberías. El caudal puede calcularse mediante su fórmula

푄 = 푣.퐴 o mediante el cálculo de la diferencia de presión entre 2 secciones

de tuberías conectadas con diferencias de altura o sección transversal.

2.12.12. VELOCIDAD MEDIA

Según H. Young y R. Freedman (2009, P.37) la velocidad media es una

variable que estudia la distancia recorrida por un cuerpo cualquiera entre dos

(2) intervalos de distancias positivos y dos (2) intervalos de tiempo. Se

calcula mediante la expresión 푉 = donde Δ푥 = intervalos de distancias y

Δ푡 = intervalos de tiempo.

2.13. CALDERAS

Según Ynis (2013, p.46) define las calderas de vapor como todo aparato a

presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se

44

transforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de

transporte, en este caso vapor de agua.

Por lo tanto se puede definir que la caldera es un dispositivo o maquina

utilizada a nivel industrial para la generación de vapor.

2.14. TIPOS DE CALDERAS

Según Ynis (2013, p.47) plantea que fundamentalmente son dos los tipos

de calderas de vapor que normalmente suelen utilizarse: calderas de tubo de

humo o pirotubulares y calderas de tubos de agua o acuotubulares.

Las calderas de tubos de humo o pirotubulares se pueden explicar como

un cilindro compacto de agua, atravesando longitudinalmente por un haz de

tubos por lo que circulan las llamas y/o los humos. Lógicamente, los humos y

la llama pasan por el interior de los tubos de acero, los cuales estarán

rodeados de agua. El gran volumen de agua de estos equipos actúa como un

almacén de energía proporcionando una respuesta adecuada para

demandas puntuales y una mayor calidad de vapor.

En caso de las calderas acuotubulares, el agua está en parte o casi toda

contenida en haces de tubo de acero rodeado por la llama y los gases

calientes de la combustión. Teniendo en cuenta el elevado número de tubos

que pueden instalarse la superficie de calefacción puede ser muy grande

para dimensiones relativamente reducidas.

En bases a la información planteada por el autor se puede establecer dos

tipos de calderas, las pirotubulares que en esta el humo y los gases calientes

45

circulan por el interior de los tubos y el agua se encuentra por el exterior

mientras que las acuotubulares por el interior de los tubos pasa agua o vapor

y los gases calientes se encuentran en contacto con las caras exteriores de

ellos.

2.15. COMPONENTES FUNDAMENTALES

Según Martínez (2013, p.82) para las calderas pirotubulares se utilizan los

siguientes componentes:

Envolvente exterior o virola exterior: Este elemento es de forma cilíndrica

y es el encargado de contener los fluidos (Agua/Vapor) y evitar que estos

salgan al exterior, en las misma van montadas las tubuladuras de control y

supervisión, tales como los controles de nivel, los indicadores ópticos de nivel

y orificio de inspección del lado de agua etc.

Cámara de combustión u hogar de combustión: Es la encargada de

contener la llama del quemador e iniciar el intercambio de energía por

radiación.

Fondo delantero y trasero exterior: de forma circular van soldados a la

virola exterior, y al igual que esta, evita que los fluidos salgan al exterior.

Haz tubular: Son conjuntos formados por una cantidad variable de tubos,

por los cuales circulan los gases de la combustión interior.

Para las calderas acuotubulares se tienen:

Domo o calderin: Es de forma cilíndrica y en su interior los dos fluidos

(Agua/Vapor).

46

Cámara de combustión: Generalmente en forma de prisma de base

rectangular, es la zona diseñada para que se realice la combustión.

Está delimitado en sus seis lados por paredes de membrana que, excepto

en una de ellas, el resto son totalmente estancas al paso de los gases de

combustión al exterior.

Paredes de membrana: Son las formadas en su totalidad de tubos

refrigerados por el agua que circula en su interior.

Tubos de subida y bajada: Los tubos de subidas son los encargados de

llevar el fluido más caliente (por diferencia de temperaturas) de todas las

zonas de las calderas al domo. Los tubos de bajada son los encargados de

devolver el fluido que se ha enfriado desde el domo a las zonas de

calentamiento.

Evaporadores o tubos de bandera: Son haces de tubos dispuestos

generalmente a contracorriente de los gases especialmente donde se

efectúa el intercambio por convección.

Economizadores: Son aquellos elementos que se instalan en la salida de

los gases de las calderas para aumentar su rendimiento. Formados por:

Tubos lisos o con aletas, por el interior de dichos tubos circula el agua de

alimentación a la caldera y por fuera de los tubos los gases de la combustión

a contracorriente.

Recalentadores: Son equipos compuestos por serpentines de tubos

instalados en las zonas de mayor temperatura de la caldera. Exceptuado

su instalación en la cámara de combustión, generalmente están

47

dispuestos justo detrás de la pared de membrana y después de la

cámara de combustión. Están destinados a elevar el título de vapor a “1”,

así como la temperatura del vapor saturado que pasa a través de su

interior, produciendo vapor sobrecalentado o vapor recalentado a una

temperatura superior a la de saturación.

2.16. ASPECTOS DE DISEÑOS. SELECCIÓN DE POTENCIA

En el caso de las calderas de vapor, la potencia nominal varía en

función de la presión de trabajo del generador y la temperatura del agua

de alimentación a la caldera, siendo esta potencia igual a la producción

de vapor de la caldera multiplicada por la diferencia de la entalpía del

vapor a la presión máxima de trabajo menos la entalpía del agua de

alimentación e incrementando el resultado con la pérdida del

rendimiento de la caldera.

2.17. REGULACIÓN

Según Martínez (2013, p.89) El funcionamiento se regula en las

calderas en función del fluido utilizado de las siguientes formas:

Mediante termostatos para las calderas de agua caliente, agua sobre-

calentada y fluido térmico.

Mediante presostatos para las calderas de vapor.

La regulación de los quemadores puede ser:

Todo-Nada.

48

Dos marchas.

Tres marchas.

Progresivos.

Modulantes.

Para las calderas de vapor con nivel de agua definido, el control de

dicho nivel en el interior de la caldera se puede controlar de las maneras

siguientes:

Control de nivel: Todo-Nada.

Control de nivel continuo:

A un elemento (nivel de agua).

A dos elementos (nivel de agua y caudal de vapor consumido).

A tres elementos (nivel de agua, caudal de vapor consumido y caudal de

agua de aporte).

2.17.1. DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD OBLIGATORIOS

Según Martínez (2013, p.90) Su función principal es la de bloquear el

quemador (apagado de emergencia) cuando los parámetros admisibles

de funcionamiento, hayan sido rebasados (excepto las válvulas de

seguridad). Son los siguientes:

Válvulas de seguridad: protección básica contra un exceso de la

presión máxima.

Limitador de nivel mínimo de agua: protege la caldera ante la falta

49

de agua.

Presostato de seguridad: protege la caldera contra el incremento

depresión.

2.17.2. DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD SUPLEMENTARIOS

Según Martínez (2013, p.91) los dispositivos de seguridad

suplementarios son los siguientes:

INDICADORES ÓPTICOS DE NIVEL: equipo necesario para el control

visual del nivel del agua de la caldera.

VÁLVULA DE AIREACIÓN: necesaria para el llenado y vaciado del

generador y para eliminar el aire residual.

VÁLVULA DE PURGA DE LODOS: elimina dichos residuos que se

depositan en el fondo de la caldera.

VÁLVULA DE PURGA CONTINÚA DE SALES: evita que se supere la

máxima concentración de salinidad admitida en el interior de la

caldera.

BOTELLÍN DE TOMA DE MUESTRAS: enfría la muestra de vapor

hasta condensarla para conseguir el valor exacto de sales y contenido

de oxígeno.

REGULADORES DE PRESIÓN: aseguran la presión adecuada del

vapor.

Grupo de electrodos de conductibilidad conectados al regulador de

nivel para la regulación on/off del aporte de agua de alimentación del

50

generador.

2.17.3. DISPOSITIVOS DE MANDO Y REGULACIÓN

Según Martínez (2013, p.92) los dispositivos de mando y regulación

son los siguientes:

Bomba de alimentación. Su función es la de restablecer

periódicamente el nivel del agua de la caldera. El encendido y apagado

de dicha bomba se realiza por medio de los reguladores de nivel

conectados a las sondas PZ, PW. Se aconseja que la temperatura ideal

del agua de alimentación esté comprendida entre los 102 y los 105 ºC, y

nunca inferior a 60 ºC. Sus características deben respetar los requisitos

de la norma unE-En 12.953-10.

Los equipos desgasificadores deben garantizar la eliminación total

del oxígeno. El sistema de alimentación de agua deberá poder

inyectar dicho líquido a una presión superior en un tres por ciento, como

mínimo, de la presión de tarado más elevada de las válvulas de

seguridad, incrementada en la pérdida de carga de la tubería de

alimentación y en la altura geométrica relativa. El sistema de

alimentación de agua deberá poder inyectar una cantidad de agua igual

a 1,1 veces la máxima que pueda evaporarse, más la pérdida de agua

por purgas.

Para las calderas con nivel de agua definido, en las que es

automática la aportación de agua, el sistema de alimentación estará

51

controlado por un dispositivo que detecte, al menos, el nivel de agua.

Este sistema de alimentación podrá ser de acción continua o

discontinua. En el caso de acción continua, la bomba de alimentación

de agua estará continuamente en servicio por lo que el caudal

introducido vendrá regulado por una válvula automatizada y mandada

por la acción del sistema del controlador de nivel; dicho sistema actuará

de forma que la válvula que con- trola la alimentación de agua quede en

posición abierta si se producen fallos del fluido de accionamiento

(corriente eléctrica, aire, etc.).

En el caso de acción discontinua, el sistema detector de nivel,

actuará sobre la bomba de alimentación, parándola y poniéndola de

nuevo en servicio según las necesidades,

2.17.4. REGULACIÓN CONTINUA DEL NIVEL DEL AGUA.

FUNCIONAMIENTO 24H SIN SUPERVISIÓN

Según Martínez (2013, p.94) en algunos procesos tecnológicos se

aconseja un flujo continuo de agua de alimentación. Esto hace que en el

interior del generador no se interrumpa el proceso de ebullición, el

volumen de agua permanece estable, asegurando un caudal y título de

vapor constante.

Tal aplicación es aconsejable en calderas con una potencia a partir

de 4 MW y es indispensable que la caldera esté provista de un

economizador.

52

Durante el flujo continuo de agua de alimentación la variación de

caudal está asegurada por una válvula de dos o tres vías dotada de un

actuador eléctrico o neumático. La apertura de la válvula es

directamente proporcional a las variaciones de nivel efectivo del agua en

el interior del generador respecto al valor medio preestablecido (PR).

La regulación se articula con una señal que proviene del electrodo de

medición (WR) de tipo capacitivo, Enviando al regulador electrónico de

nivel esta señal, éste a su vez transforma la señal y manda la orden al

actuador de la válvula modulante (STv).

El funcionamiento de la caldera sin supervisión durante 24 o 72 h

necesita dos limitadores por electrodo de bajo nivel de agua. Uno de

ellos (WB1) está montado junto al electrodo capacitivo (WR) y el otro

(WB2) está montado sobre otro cilindro independiente. El electrodo

capacitivo abastece también el pre alarma de bajo nivel antes de que se

alcance el nivel de alarma y abastece además la alarma de alto nivel

WR.

2.18. ACCESORIOS DE CALDERAS

Según Sarco (2013, p.117) existen varios accesorios que deben

instalarse en las calderas de vapor, todos con el objetivo de mejorar:

Funcionamiento, eficacia, seguridad.

A continuación se explican algunos de los accesorios más

importantes.

53

2.18.1. PLACA DE CARACTERÍSTICA

Según Sarco (2013, p.117) platea que en la mitad del siglo xix, las

explosiones en calderas de vapor eran bastante comunes. Como

consecuencia, se formó una compañía en Manchester con el objetivo de

reducir el número de explosiones sometiendo a las calderas de vapor a un

examen independiente. Esta compañía fue el principio de la actual Federación

de Seguridad (SAFed), el organismo cuya aprobación se requiere en el Reino

unido para los accesorios y controles de caldera.

Después de un periodo relativamente corto, sólo 8 de 11.000 calderas

examinadas explotaron, en comparación con las 260 explosiones de

calderas que ocurrieron en aquéllas que no fueron examinadas por esta

compañía.

Este éxito conllevó a la ley sobre explosiones de calderas de 1882 que

incluyó la necesidad de una placa de características de la caldera

2.18.2. VÁLVULA DE SEGURIDAD

Según Sarco (2013, p.118) uno de los accesorios importantes de la

caldera es la válvula de seguridad. Su función es proteger el cuerpo de

la caldera de sobrepresión y evitar que explosione.

Hay muchos tipos diferentes de válvulas de seguridad, todas deben

cumplir el siguiente criterio:

Válvulas de seguridad deberá no dar salida a un caudal de vapor

54

equivalente a la potencia térmica de la caldera.

El rango de capacidad de descarga total de la(s) válvula(s) de

seguridad debe estar dentro del 110% de la presión de diseño de la

caldera.

El orificio que conecta una válvula de seguridad a una caldera

debe ser, como mínimo, de 20 mm.

La tara máxima de la válvula de seguridad será la presión máxima

permisible de trabajo de la caldera.

Debe haber un margen adecuado entre la presión normal de

trabajo de la caldera y la tara de la válvula de seguridad.

2.18.3. VÁLVULA DE INTERRUPCIÓN PARA CALDERAS

Según Sarco (2013, p.119) una caldera de vapor debe tener instalada

una válvula de interrupción (también conocida como válvula de salida de

vapor), que aísla la caldera de vapor y su presión del proceso o la

planta. Generalmente, es una válvula de globo en ángulo del modelo de

husillo.

En el pasado, estas válvulas estaban fabricadas de hierro fundido,

acero y bronce (que se usan para las aplicaciones con presiones más

altas). Actual- mente, muchos fabricantes de calderas usan válvulas de

fundición nodular como estándar en sus propias aplicaciones como

válvula de interrupción.

55

La válvula de interrupción no se diseña como una válvula para

proporcionar más o menos vapor, debe abrirse o cerrarse totalmente.

Siempre debe abrirse lentamente para evitar aumentos repentinos de

presión aguas abajo y golpes de ariete.

En aplicaciones de varias calderas debe instalarse una válvula de

aislamiento adicional en serie con la válvula de salida de vapor. Ésta es,

generalmente, una válvula del globo de husillo, del tipo de retención que

previene que una caldera presurice a otra. Alternativamente, algunas

empresas prefieren usar una válvula globo de husillo con una válvula de

retención de disco intercalada entre las bridas de las dos válvulas de

aislamiento.

2.18.4. VÁLVULA DE RETENCIÓN

Según Sarco (2013, p.120) las válvulas de retención se instalan en la

tubería del agua de alimentación de la caldera, entre la bomba de

alimentación y la caldera. Una válvula de aislamiento para la

alimentación a la caldera se instala en el cuerpo de la caldera.

La válvula de retención contiene un resorte que mantiene la válvula

cerrada cuando no hay presión en la caldera aunque el tanque de

alimentación tenga un nivel elevado. Además, previene que la caldera se

inunde por la presión estática del agua de alimentación.

Bajo condiciones normales de vapor, la válvula de retención funciona

de una manera convencional para detener el flujo del retorno de la

56

caldera que entra en la línea de alimentación cuando la bomba de

alimentación se para. Cuando la bomba de alimentación se pone en

marcha, su presión vence al resorte para alimentar la caldera.

2.18.5. CONTROL DE SALES DISUELTAS (TDS)

Según Sarco (2013, p.121) controla la cantidad total de sólidos

disueltos (TDS) en el agua de caldera y, a veces, también se conoce

como “purga continua”.

El sistema puede ser manual o automático. Cualquiera que sea el

sistema usado, los TDS son una muestra del agua de caldera

comparado con un punto de referencia; si el nivel de TDS es demasiado

alto, se libera una cantidad de agua de caldera para ser sustituida por

agua de alimentación de caldera con un nivel de TDS mucho más bajo.

Esto tiene el efecto de diluir el agua en la caldera y reducir los niveles

de TDS.

En un sistema de control de TDS manual, debería tomarse una muestra

del agua de caldera cada cambio de turno.

2.18.6. VÁLVULAS DE PULGA DE FONDO

Según Sarco (2013, p.12) Las calderas deben tener, como mínimo,

una válvula de purga de fondo, en un lugar cercano al que pueda que

se acumule el sedimento o lodo. Estas válvulas deben accionarse con

una llave y están diseñadas de tal manera que es imposible sacar la

57

llave con la válvula abierta. Existen válvulas de purga de fondo

automáticas que se controlan por temporizadores incorporados en los

controles electrónicos que aseguran que una sola caldera puede

purgarse a la vez.

Con purga de fondo manual en una instalación de varias calderas,

sólo se permite una llave en la sala de calderas. De esta manera, es

imposible que el contenido de la purga de fondo de una caldera pase a

otra y que tenga que pararse para el mantenimiento.

2.18.7. MANÓMETROS

Según Sarco (2013, p.123) Todas las calderas deben tener, como

mínimo, un indicador de presión.

El dial debe tener, como mínimo, 150 mm de diámetro y ser del tipo

de tubo de bourdon. Debe tener marcada la presión de trabajo normal y

la presión/ diseño de trabajo máximo permisible.

Los manómetros, normalmente, se conectan al espacio vapor de la

caldera por un tubo sifón en R que está lleno de vapor condensado para

proteger el mecanismo del dial de altas temperaturas.

Se pueden instalar manómetros en otros recipientes a presión, como

tanques de purga de fondo.

3. SISTEMAS DE VARIABLES

La variable objeto de estudio se define a continuación:

58

3.1. DEFINICIÓN NOMINAL

Termo-mecánica

3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL

Según A. Marchenko (2014, pag.1) La termo-mecánica es el estudio de

las máquinas y los materiales bajo condiciones tanto de esfuerzo como de

temperatura para la predicción del comportamiento del material o maquinas

en una amplia gama de parámetros que caracterizan su estado al igual que

su estructura para conocer como este comportamiento afecta el sistema

productivo al cual estos pertenecen.

3.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL

Es por ello que cuando se menciona la propiedades dentro de los equipos

esta se refiere al estudios de las diferentes condiciones de operación que los

cuerpos en movimiento podrían tener para efectuar las distintas

características dentro de un proceso productivo, es decir, estudia la

variaciones de las temperaturas y presiones dentro de los equipos que se

encuentran en un proceso productivo. Además se podría indicar que es la

Disciplina que se encarga de estudiar la energía térmica y sus repercusiones

en el movimiento, funcionamiento y durabilidad de las maquinas térmicas y

los sistemas a los cuales estas pertenecen.