UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA MECANICA

DEPARATMENTO DE AREA TERMICA

PLANTAS DE VAPOR

SECCION: N

INGENIERO GILBERTO ENRIQUE MORALES BAIZA

termo1p@gmail.com

APLICACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA GENERADA POR VAPORIZACIÓN DEL AGUA

NOMBRE CARNÉBRENER ABEL ESTRADA CARDONA 2008 – 19126

brenerabelf46@gmail.comJUAN JOSUE ALVARADO ABAC 2010 - 20656DENNIS ROLANDO ULIN RAMIREZ 2013 - 14772

Correo Escuela Ingeniería Mecánica emecánica@ing.usac.edu.gt

RESUMEN:

Se presenta de forma breve el diseño de una caldera portable, se presenta su diseño y su

forma de elaboración para luego desarrollar un prototipo y mediante transferencia de calor

por conducción observar los resultados y características mecánicas del prototipo a escala, se

analizaron factores importantes como la resistencia del cilindro de pared delgada y la

distancia que recorrió el camión que transportó a la caldera en función de la cantidad de

agua en el cilindro y la presión a la cual llegó el cilindro.

PALABRAS CLAVE:

Objetivos

Objetivo General

Aprovechar la energía térmica que se genera en la vaporización del agua para convertirla en energía motriz.

Objetivos Específicos

Generar energía mediante vapor de agua. Convertir energía térmica en energía mecánica.

.

MARCO TEÓRICO:

TURBINAS

La función de una turbina y de toda máquina hidráulica es efectuar un cambio de energía entre un sistema mecánico y un sistema fluido.

Los únicos tipos de máquina hidráulica con los cuales se relaciona directamente son las turbinas. El uso de artificios mecánicos elementales para transformar energía mecánica en otra energía optativa se puede encontrar la turbina hidráulica sencilla que es una evolución natural de la rueda hidráulica, aunque el parecido físico es muy remoto.

CLASIFICACION DE LAS TURBINAS

1-. Turbinas de Impulso o Acción: Pelton, Laval, Curtiss, etc.

2-. Turbinas de Reacción: Francis, Dériaz, Hélice y Kaplan.

TURBINAS DE VAPOR DE ACCIÓN

Las turbinas son máquinas de flujo permanente, en las cuales el vapor entra por las toberas y se expansiona hasta una presión más pequeña.

Al hacerlo el chorro de vapor, adquiere una gran velocidad.

Parte de la energía cinética de este chorro es cedida a los álabes de la turbina, de la misma manera que un chorro de agua cede energía a los cangilones de una rueda hidráulica.

Las turbinas que utilizan el impulso del chorro para mover los álabes se denominan turbinas de acción (fig. 1).

En ellas las toberas son fijas y van montadas sobre el bastidor. Pero también es posible construir la turbina de manera que los espacios comprendidos entre los álabes tengan la forma de toberas.

Turbina de acción en la cual toda la caída de presión ha tenido lugar en la tobera, y una parte de la energía cinética resultante del vapor en movimiento es absorbida por los álabes de rotor.

Las toberas de las turbinas de acción no pueden cubrir la totalidad de la periferia del rotor, por cuya razón en un momento dado solamente parte de los álabes de la turbina reciben la acción de los chorros de vapor.

En una turbina de acción ideal el chorro de vapor que sale por una tobera debería llevarse al reposo en los álabes, y de esta suerte, cedería toda su energía cinética a los mismos.

En las turbinas de acción reales esto no es posible por razones de tipo constructivo. Por este motivo siempre se produce una pérdida de energía en la turbina a causa de la velocidad residual o final del vapor al abandonar el rodete.

Si para una tobera determinada, en la cual las áreas de las secciones rectas de entrada, garganta y salida son fijas, se dibuja una curva cuyas ordenadas sean en flujo de masa (kg/s) y cuyas abscisas se dan la relación entre las presiones de salida y entrada. Cuando P2/P1 = 1, es evidente que no hay desplazamiento de vapor. La velocidad de un chorro de vapor puede ser muy elevada, dependiendo de la presión y temperatura iniciales del vapor, así como también de la contrapresión.

Para este proyecto solo se utilizó la turbina sin escalonamiento ya que eso podría haber complicado aún más realizarlo.

TOBERAS

Una tobera es un dispositivo por el que sale el líquido a gran velocidad y al entrar en contacto con la atmosfera se divide en pequeñas gotas o se atomiza, pero también puede atomizarse al contacto con una plancha. También se les conoce por ser el medio en que se convierte la energía térmica y de presión en energía cinética ya que en una disminución del área la presión disminuye y se convierte en energía cinética la cual es utilizada para diferentes propósitos, como en el caso de una turbina, la que convierte esa energía cinética en movimiento giratorio mecánico para ser aprovechada y mover un eje y generar energía eléctrica o energía motriz.

Este dispositivo se considera que consume poca energía comparada con otras formas de toberas ya que su diseño es simple y no muy costoso, de donde su perdida más notable es en el momento de pasar por la tobera y con el contacto de las paredes de la misma y el choque con el borde de los alabes, así como fugas entre tobera y corona, además es su forma ideal se considera que la tobera es isotrópica. A esta suma de pérdidas se le conoce como Coeficiente de Reducción de Velocidad siendo el valor de 0,95 y que debe ser menor a 1.

METODOLOGÍA:

LISTA DE MATERIALES

Material Utilizado PreciosCilindro Q15.00

Manómetro Q65.00Auto de juguete Q60.00

Soldadura Q50.001Resistencia (2.2 k), Q.0.451 Resistencia (2.7 K), Q.0.451 Resistencia (1 K), Q.0.451 Resistencia (8.2K), Q.0.452 potenciómetros (100K), Q.5.50 CU1 condensador electrolítico (470microfaradios X 16V)

Q.4.00

1 condensador electrolítico (47microfaradios X 16V)

Q.4.00

1 condensador cerámico 104 Q.1.501 condensador cerámico 103 Q.1.502 ( NE555) Q.4.00 CU1 transistor BC548 Q.4.001 transistor de potencia 2N3055 Q 9.501 parlante de 8homios X 10w Q15.00

Fuente de alimentación de 5 a 12 voltios. Q.10.00

PLACA DE BAQUELITA Q.7.00

soldadura eléctrica con electrodo 60/13 punto café

Q.14.00

soldadura autógena con varilla latón

FABRICACIÓN DE PROTOTIPO

DESARROLLO DE LA MINI CALDERA:

1.

2.

1. Camión utilizado para montar la caldera.2. Cilindro de refrigerante 134ª para la manufactura de la caldera.

3.

4.

3. Caldera ya fabricada con manómetro de 200 psi con válvula de llenado y tubería para descargar el vapor a la turbina.

4. Eje con la turbina instalada.

5.

6.

5. Diagrama de funcionamiento de la sirena instalada en el camión.

6. Imagen de camión armado.

RESULTADOS

La presión inicial que se utilizó para hacer mover el vehículo fue de 25 PSI utilizando carbón para evaporar el agua pero se presentan muchas deficiencias porque al realizarse a un ambiente no controlado se requiere mucho tiempo para llegar a la temperatura antes mencionada de aproximadamente 45 minutos y se presentaron problemas ya que la distancia que había entre la tobera y la turbina no era la correcta por lo que no se logró aprovechar esa energía por lo que el camión casi no se logró mover.

Al elevar la presión a 65 PSI pero ya no se utilizó carbón sino una gas propano llevándose un tiempo de 4 minutos y ahora con un acercamiento de la tobera a la turbina y con toda la llave abierta el camión se logró desplazar 7 metros.

La presión máxima a la que se llegó en la caldera fue de 90 PSI utilizando siempre gas propano y aproximadamente 500 mil de agua, la distancia desplazada por el vehículo fue de 4.5 metros.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS:

El estar expuesto al aire libre puede ser una de las causas de que el utilizar carbón sea poco rentable así como utilizar la caldera sin algún material aislante ya que la pérdida de calor es demasiada.

La distancia de la tobera a la turbina no fue la correcta y se debió a que el movimiento del vehículo y al no estar completamente fijada la caldera a la turbina hacían que la distancia fuera mayor por lo que la energía no era bien aprovechada.

CONCLUSIONES:

Mediante la transferencia de calor al agua contenida en un recipiente hermético, se logra la vaporización de la misma, con lo cual obtenemos energía térmica debido a la expansión de volumen que sufre el agua.

La energía térmica producida debido al vapor generado en el contenedor, se aprovecha para producir energía mecánica, mediante un sistema en el cual se utiliza la presión a la cual se encuentra el vapor, este impulsa una turbina, esto genera un movimiento de rotación, que se encuentra acoplada a un eje y mediante este mecanismo se genera el movimiento del auto.

Al mover el auto por medio de vapor se logró analizar la primera ley de la termodinámica. Antes de que saliera el vapor todo el calor (Q) que recibe el sistema (vapor de agua) se utiliza para aumentar la energía interna (Q=∆U). Después de que sale el vapor el sistema (gas) realiza trabajo (-W) sobre los alrededores (el carrito) a costa de la disminución de su energía interna: ∆U= -W.

RECOMENDACIONES:

Utilizar equipo de protección personal como: casco, guantes, lentes de protección, botas

industriales, manómetro que sea de un rango alto y no llevar la presión a más de las ¾

partes de la presión permitida en el recipiente ya que la soldadura puede debilitar la

estructura y al momento de agregar calor para hacer vapor puede aún debilitarla más.

BIBLIOGRAFIA:

Turbinas Hidráulicas", http:/ /w3.iwcc.com/~brawner/grupos3-en.html; http:/ /perso.wanadoo.fr/euvrie/html/body_turbines.html; http:/ /axp1.iie.org.mx /IIE /líneas/linea5.htm.