L-l,

NDICE

LABORATORIO DE MQUINAS TRMICAS

PRCTICA 2

GENERADORES DE VAPOR Y CALORMETROSPg.2.1OBJETIVOS2

2.2INTRODUCCIN2

2.3GENERADORES DE VAPOR2

2.3.1CALDERA 3

2.3.2HORNO3

2.3.3QUEMADORES3

2.3.4CHIMENEA3

2.3.5VENTILADORES3

2.3.6BOMBA DE AGUA DE ALIMENTACIN3

2.3.7SOBRECALENTADOR3

2.3.8ATEMPERADOR3

2.3.9CALENTADOR DE AIRE4

2.3.10ECONOMIZADOR4

2.3.11 PRECALENTADOR DE COMBUSTIBLE4

2.4 CLASIFICACIN GENERAL DE CALDERAS4

2.4.1 POR LA POSICIN RELATIVA DE LOS GASES CALIENTES, EL AGUA Y EL VAPOR4

2.4.2 POR LA POSICIN DE LOS TUBOS5

2.4.3 POR LA FORMA DE LOS TUBOS 5

2.4.4 DEPENDIENDO DEL TIPO DE TIRO 5

2.5 SUMINISTRO DE VAPOR5

2.5.1 CALDERA DE TUBOS DE HUMO5

2.5.2 SISTEMA DE ALIMENTACIN DE COMBUSTIBLE6

2.5.3 SISTEMA DE AGUA DE ALIMENTACIN7

2.5.4 SISTEMA DE CONTROL DE PRESIN8

2.5.4.1 VLVULA DE SEGURIDAD8

2.6 CALCULOS DEL GENERADOR DE VAPOR 9

2.6.1 CAPACIDAD NOMINAL DE UNA CALDERA9

2.6.2 CAPACIDAD REAL9

2.6.3 EFICIENCIA DE LA CALDERA10

2.6.4 EQUIVALENTE DE VAPORIZACIN 11

2.6.5 FACTOR DE VAPORIZACIN11

2.6.6 GASTO DE COMBUSTIBLE11

2.6.7 GASTO DE VAPOR12

2.7 CALORIMETROS12

2.7.1 ESTUDIO DE LA NATURALEZA DEL VAPOR 12

2.7.1.1 CALIDAD DE UN VAPOR13

2.7.2 DEFINICIN y CLASIFICACIN DE CALORIMETROS 14

2.7.2.1 CALORMETRO DE ESTRANGULACIN 14

2.7.2.2 CALORMETRO DE BARRIL 15

2.7.2.3 CALORMETRO ELCTRICO 16

2.7.2.4 CALORMETROS DE SEPARACIN 17

BIBLIOGRAFA19

LABORATORIO DE MQUINAS TRMICAS

PRCTICA 2

GENERADORES DE VAPOR Y CALORIMETROS

2.1OBJETIVOS

1) Describir los elementos que constituyen los dos generadores de vapor instalados en el Laboratorio de mquinas trmicas.2) Calcular la superficie de calefaccin, la capacidad y eficiencia de una caldera, y los gastos de combustible y vapor.3) Estudiar brevemente la naturaleza del vapor, la importancia de la humedad en el mismo y cmo se mide.

2.2INTRODUCCIN

La utilizacin del vapor como fluido de trabajo, ya sea para transmitir calor o para producir trabajo mecnico (expandindolo en una turbina), es muy comn debido a su capacidad trmica, la facilidad que presenta para su manejo, la disponibilidad de agua a bajo costo, y la posibilidad de reciclarlo.

Figura 3.

Seccin esquemtica de una turbina de reaccin pequea: (1) En forma de anillo cmara de vapor vivo, (2) del pistn de descarga, (3) conecta la tubera de vapor, (4) del tambor del rotor, (5) y (8) palas del rotor, (6) y (9) cuchillas fijas, (7) carcasa

En la actualidad, los ciclos de vapor se utilizan ampliamente en procesos industriales en los que se requiere transmisin de calor, en la generacin de energa elctrica, en hoteles, hospitales, etc.

2.3GENERADORES DE VAPOR

Un generador de vapor es un conjunto de equipos y aparatos que se combinan para producir vapor. Los componentes principales son:

19

2.3.1CALDERA

Es un intercambiador de calor, que trasmite la energa producto de la combustin al fluido, comnmente agua, para obtener vapor.

La transferencia de calor se realiza a travs de una superficie de calefaccin, formada por paredes y bancos de tubos. La superficie de calefaccin es el rea de una caldera que por un lado est en contacto con los gases y por el otro, con el agua que se desea calentar y vaporar.

Existe una gran variedad de tamaos: desde las domsticas para calefaccin, hasta las que se usan en plantas termoelctricas capaces de producir hasta 1,250 de vapor, a presiones de aproximadamente 17.5 a 28.0, y temperaturas de sobrecalentamiento superiores a los 530.

2.3.2 HORNO

Lugar donde se realiza la combustin; generalmente se encuentra formado por paredes de refractario y bancos de tubos por los que circula agua y vapor.

2.3.3QUEMADORES

Dispositivos tubulares donde se logra la adecuada mezcla aire-combustible cuando este ltimo es lquido o gas. En caso de que el combustible sea carbn, se tiene un molino o pulverizador adicional.

2.3.4CHIMENEA

Ducto a travs del cual se descargan los gases producto de la combustin.

2.3.5VENTILADORES

Tiro forzado: introducen aire al horno; tiro inducido: extraen los gases calientes del horno despus de la combustin.

2.3.6BOMBA DE AGUA DE ALIMENTACIN

Incrementa la presin del agua para alimentar la caldera.

2.3.7SOBRECALENTADOR

Cambiador de calor en el que se da el sobrecalentamiento deseado al vapor.

2.3.8ATEMPERADOR

Cambiador de calor donde se regula el grado de sobrecalentamiento o temperatura del vapor; puede ser de superficie o de contacto.2.3.9CALENTADOR DE AIRE

Cambiador de calor donde los gases producto de la combustin, despus de haber cedido parte de su energa a la caldera, calientan el aire para hacer ms eficiente la combustin.

2.3.10ECONOMIZADOR

Cambiador de calor donde los gases de la combustin transmiten la otra parte de su energa con la cual aumentan la temperatura de alimentacin que va a la caldera, y mejoran la eficiencia del generador debido a que se recupera parte del calor que de otro modo se disipara en la atmsfera.

2.3.11PRECALENTADOR DE COMBUSTIBLE

Al utilizar combustleo o aceite combustible, su viscosidad se disminuye por medio de un calentamiento previo al quemador; se usa un serpentn de vapor o una resistencia elctrica.

La figura 2.1 que se encuentra en la siguiente pgina, muestra el diagrama de flujo de aire, combustible y agua, as como de los gases a travs de los elementos antes mencionados, y la disposicin de unos con respecto a otros.

2.4CLASIFICACION GENERAL DE CALDERAS

Las calderas pueden clasificarse de la siguiente forma:

2.4.1POR LA POSICIN RELATIVA DE LOS GASES CALIENTES, EL AGUA y EL VAPOR

a) Tubos de humo (Pirotubulares) Los gases circulan dentro de los tubosb) Tubos de agua (Acuotubulares): El agua circula dentro de los tubos

2.4.2 POR POSICIN DE LOS TUBOS

a) Tubos verticalesb) Tubos horizontales c) Tubos inclinados

2.4. 3POR LA FORMA DE LOS TUBOS

a) Tubos rectos b) Tubos curvos

2.4.4DEPENDIENDO DEL TIPO DE TIRO

a) Tiro forzadoCuando el ventilador se sita a la entrada del hogar

b) Tiro inducido:Cuando el ventilador se localiza a la salida de la caldera

c) Tiro balanceado:Con ventilador de tiro inducido y forzado

d) Tiro naturalSin ventiladores

2.5SUMINISTRO DE VAPOR

2.5.1CALDERA DE TUBOS DE HUMO

El suministro de vapor en el laboratorio se lleva a cabo con un generador de vapor tipo paquete de tubos humo, rectos y horizontales, de tiro forzado, de donde el agua se encuentra dentro de un tambor atravesado axialmente por un tubo central o un can y un banco de tubos paralelos a ste, por los cuales circulan los gases calientes. (Ver Fig. 2.2)

El can hace las veces de horno y contiene en su interior el quemador, donde descarga el ventilador de tiro forzado.

El nmero de pasos depende de las veces que los gases circulan axialmente; en este caso se tienen tres. El primer paso, del frente a la parte posterior de la caldera a travs del horno o can; el segundo, de la parte posterior nuevamente al frente por los tubos inferiores (los gases se desvan hacia abajo mediante una mampara), y por ltimo, del frente a la parte posterior a travs de los tubos superiores descargando finalmente en la chimenea.

Este tipo de diseo es muy usado en calderas tipo paquete de baja capacidad que producen vapor saturado.

2.5.2SISTEMA DE ALIMENTACIN DE COMBUSTIBLE

En un tanque de suministro se recibe el combustible, que en este caso es aceite diesel. Antes de la bomba, la caldera cuenta con un sistema doble de alimentacin de combustible para dar mantenimiento regular a los filtros sin necesidad de parar la unidad (vase el arreglo en la figura 2.3).

La bomba de alimentacin de combustible es de desplazamiento positivo de engranes, y se requiere una vlvula de alivio que mantenga una presin constante en la descarga, derivando parte del flujo por la tubera de recirculacin.

La vlvula de control de flujo de combustible (e) fig. 2.3 opera en paralelo con la compuerta del ventilador, con lo cual se logra la relacin aire-combustible adecuada para cada carga en la caldera.

La vlvula solenoide (f) fig. 2.3 opera mediante una fotocelda que al detectar flama en el piloto de encendido enva una seal elctrica que permite el paso del combustible a travs de ella; si la fotocelda no detecta flama; la vlvula permanece cerrada y en esta forma se elimina el riesgo de un exceso de combustible dentro del hogar.

El interruptor por falla del tiro forzado (g) fig. 2.3 trabaja mediante un diafragma que recibe seales de presin antes y despus del ventilador: en, caso' de falla, regresa a su posicin de equilibrio, enviando una seal a la vlvula solenoide para el cierre de combustible.

Finalmente existe un control automtico de encendido de flama mediante un piloto de gas que funciona por una chispa elctrica, previo barrido de los gases restantes del encendido anterior.

2.5.3 SISTEMA DE AGUA DE ALIMENTACIN

El arreglo se muestra en la figura 2.4

El tanque de almacenamiento (a) recibe el agua de la red municipal, la cual pasa a un equipo de tratamiento qumico(b) donde se desmineraliza y purifica, despus el agua pasa al tanque de alimentacin de donde al las bombas la toman para introducirla a la caldera .

En este tanque se suministran los compuestos qumicos requeridos para el tratamiento interno del agua.

El control de nivel de agua dentro de la caldera se logra por medio de un flotador (e) el cual opera un interruptor de cpsula de mercurio de dos puertos que controla el arranque-paro de las bombas de alimentacin.

2.5.4SISTEMA DE CONTROL DE PRESION

Funciona al fijar tres posiciones en el servomotor, dando relaciones de flama alta, flama media y apagada (vase la figura 2.5).

La presin se detecta por medio de un arreglo mbolo-resorte el cual operar un interruptor de cpsula de mercurio de tres puertos que fija las tres posiciones del servomotor. En caso de falla se cuenta con dispositivos de seguridad contra presin alta, como las vlvulas de seguridad.

2.5.4.1Vlvula de seguridad

Consiste principalmente en un cuerpo cilndrico en cuyo interior se aloja un pistn acoplado a un resorte (figura 2.5); cuando la presin del vapor acta sobre el pistn vence la resistencia del resorte, el mbolo se desplaza descubriendo un pequeo paso por donde escapa el vapor, con lo cual la presi6n de la caldera baja. El resorte est calibrado para que a determinada presin el pistn obstruya nuevamente la salida del vapor.

2.6 CALCULOS DEL GENERADOR DE VAPOR

2.6.1CAPACIDAD NOMINAL DE UNA CALDERA

La capacidad de las calderas pequeas (calderas tipo paquete) se determina en caballos calderas , y se define como la cantidad de energa necesaria para evaporar 15.65 de agua a 100C, a una presin de . En tales condiciones la entalpa de vaporizacin es = 2257.0 , por lo que en es 15.65 2257 ,

0 sea:

1 cc = 35322

Antiguamente el valor de cc se asociaba a la superficie de calefaccin mediante la siguiente equivalencia:

1 cc = 0.93 de superficie de calefaccin (10 )

Relacionando las dos definiciones anteriores se deca que un equivala a transmitir 9.815 por cada 0.93 de superficie de calefaccin as, la capacidad nominal de una caldera expresada en cc era:

Al haber mejorado la eficiencia de las calderas fue posible transmitir ms de 9.815 por cada 0.93 de superficie de calefaccin y la capacidad de las calderas paquete pequea, queda definida en caballos caldera toman en cuenta como se dijo anteriormente que un caballo caldera son 35,322 .

En las calderas de tamaos mayores que no caen dentro de la categora de calderas paquete (mayores de aproximadamente), su capacidad se determina en .

2.6.3. EFICIENCIA DE LA CALDERA

Se define como la relacin entre calor que se aprovecha, o, sea el que toma el fluido desde que entra como agua hasta que sale como vapor, y el calor liberado por la oxidacin del combustible dentro del horno.

Donde:

- gasto de combustible en

- poder calorfico alto del combustible en

- gasto de vapor en

- entalpa del vapor a la salida en,

- entalpa del agua a la entrada de la caldera en

-

- temperatura del agua a la entrada en C

- calor especifico del agua en [4.186 ]

La entalpa del vapor se obtiene con la relacin cuando se trata de vapor saturado, a partir de la presin y de la calidad del vapor a la salida. Cuando se trata de vapor sobrecalentado se encuentra a partir de la presin y de la temperatura del vapor.

2.6.4 EQUIVALENTE DE VAPORIZACIN

Es la relacin entre el calor total que absorbe el agua de alimentacin de la caldera y el calor necesario para evaporar un kilogramo de agua a la presin atmosfrica al nivel del mar .

2.6.5 FACTOR DE VAPORIZACIN

Es la relacin entre el calor que absorbe un kilogramo de agua de alimentacin de la caldera, y el calor necesario para evaporar un kilogramo de agua a la presin atmosfrica al nivel del mar.

2.6.6GASTO DE COMBUSTIBLE

El gasto de combustible se puede obtener con la ayuda de un contador integrador , o bien observando la diferencia del nivel de un tanque durante un tiempo dado.

Donde:

- Gasto de combustible en

- Volumen en

- tiempo en seg.

- 0.8

2.6.7GASTO DE VAPOR

El gasto de vapor se puede inferir mediante la relacin que tiene la capacidad real de la caldera con respecto al gasto de vapor:

Comnmente el gasto de vapor se un medidor integrador de vapor. En calderas pequeas podra medirse el consumo de agua cuidado de hacerlo cuando no se purgue la caldera y una carga estable.

2.7 CALORIMETROS

2.7.1ESTUDIO DE LA NATURALEZA DEL VAPOR

Cuando al agua se le suministra energa calorfica, sus y su estado fsico varan. A medida que tiene lugar el calentamiento, la temperatura aumenta hasta de lquido saturado (figura 2.6). A partir de aqu la temperatura permanece constante mientras el lquido se evapora. Cuando el lquido se ha evaporado cambiando a la fase gaseosa, se le llama vapor saturado y seco, se sigue suministrando calor, la temperatura deja de ser constante y vuelve a aumentar, pasando el vapor a lo que se denomina vapor sobrecalentado. Cuando la temperatura aumenta (o disminuye), se dice que el calor es sensible; cuando permanece constante se dice que es latente.

Para determinar el estado de una sustancia es necesario conocer sus propiedades en un momento determinado

Estas propiedades son: presin (P), temperatura (T), volumen especfico (v), energa interna especfica (u), entalpa (h) y entropa (s). La temperatura, la presin y el volumen pueden determinarse por experimentacin; las otras propiedades se calculan en funcin de estas tres variables.

Para poder definir las propiedades de una sustancia es necesario conocer por lo menos dos de ellas. Como puede verse en la figura 2.6 durante el cambio de fase en la regin del vapor hmedo, la temperatura y la presin permanecen constantes por lo cual adems se requiere conocer el grado de humedad para determinar todas sus propiedades.

Figura 2.6 Diagrama T-S, curva isobrica

2.7.1.1Calidad de un vapor

La calidad de un vapor se define como el porcentaje en peso del vapor saturado seco que hay en un vapor hmedo. La humedad de un vapor se define como el porcentaje en peso del de lquido saturado que hay en un vapor hmedo. La humedad es el complemento de la calidad.

La humedad y la calidad pueden expresarse como porciento o como decimal. La calidad se representa con la letra y la humedad con la letra .

Si representa el valor de la entalpa del lquido saturado, representa el valor de la entalpa del vapor g saturado y representa la entalpa de vaporizacin, la entalpa total de un vapor hmedo estar dada por:

Las dems propiedades se determinan de la misma manera:

2.7.2DEFINICIN Y CLASIFICACIN DE CALORIMETROS

Son los instrumentos que sirven para determinar la calidad de un vapor

2.7.2.1 Calormetro de estrangulacin

Si al vapor se le estrangula y a continuacin se le expansiona sin realizar trabajo y suponiendo que no hay prdidas de calor, la energa total del vapor permanece invariable. El vapor se estrangula con una vlvula y la expansin se lleva cabo en una cmara para finalmente salir a la atmsfera.

Un balance de energa durante el proceso lleva a lo siguiente:

En donde;

- es el calor que se le suministra al vapor al entrar al calormetro,

- son las elevaciones que determinan la energa potencial

V1 y V2 - son las velocidades antes y despus de la estrangulacin

- es la constante gravitacional o 2

- es la constante de Joule, = 427

- son las entalpas antes y despus de la estrangulacin

- es el trabajo que realiza el vapor en el calormetro,

Se tendra finalmente que:

Ahora

(1)

Para calcular se necesitar la temperatura o la presin a la entrada del colormetro, ya que se trata de vapor saturado. (En tablas de vapor hmedo se encontrar ).

Se obtiene de la tabla de vapor sobrecalentado (vase la figura 2.8) con la temperatura y la presin a la salida del calormetro ( y ).

Como , de (1):

- calidad del vapor

- entalpia de formacin

-entalpia de vaporizacin

Estos calormetros son bastante sencillos y con ellos se obtienen buenos resultados.

2.7.2.2Calormetro de barril

Este tipo de calormetro no es muy usual, ya que debido a las prdidas se obtienen calidades no muy exactas, pero se usa en lugares donde lo que tiene importancia es la comparacin de calidades de vapor.

En este caso se utiliza un barril, al cual se le suministran partes de agua aproximadamente; despus se le agrega vapor de agua hasta el momento en el cual el agua del barril comienza a desprender vapor. Para hacer esta prctica primero se pesa el barril vaco, despus el barril con agua y se toma la temperatura del agua; al final se pesa el barril vaco, despus el barril con el agua y el vapor condensado y se toma de nuevo la temperatura.

Estableciendo un balance de energas:

Entalpa del vapor:

Tambin se puede obtener con la tabla de vapor hmedo, teniendo como dato la temperatura del vapor o su presin.

- calidad del vapor

- entalpia de formacin

-entalpia de vaporizacin

2.7.2.3Calormetro elctrico

En este calormetro el vapor hmedo que se obtiene de la caldera se sobrecalienta por medio de una resistencia elctrica. El calor que la resistencia suministra es igual al calor que el vapor absorbe al sobrecalentarse.

Figura 2.9 Calormetro elctrico

En donde:

- voltaje medido en un voltmetro

- corriente medida en un ampermetro

- gasto de vapor medido con una cubeta y un v cronometro

- tambin se obtiene de las tablas de vapor hmedo teniendo como dato la temperatura o la presin del vapor

K- 3.41 = 0.8593055 con la conversin

Al igual que en los casos anteriores:

- calidad del vapor

- entalpia de formacin

-entalpia de vaporizacin

Los resultados que se obtienen con este tipo de calormetros se consideran suficientemente precisos.

2.7.2.4Calormetro de separacin

Consiste en un depsito por el que se hace pasar el vapor siguiendo un camino ms o menos sinuoso en el que se interponen placas con estras, salientes y agujeros facilitar la decantacin de las gotas de humedad del vapor. La cantidad de condensado que va escurriendo se puede medir por medio de un tubo graduado.

La operacin se inicia haciendo pasar el vapor por el calormetro y abriendo la llave de purga a ste; una vez que se establece un rgimen regular, la llave de purga se cierra y el condensado se observa por medio del tubo de nivel. A la salida del calormetro se conecta una manguera cuya extremidad se sumerge en agua fra que contiene un dep6sito colocado sobre una bscula. Una vez que la llave de purga se cierra en esta agua se condensa el vapor que sale del calormetro.

Ya que se ha condensado una cantidad suficiente de vapor o que en el depsito con agua fra se observe tendencia a la evaporacin, se suspende la entrada de vapor al calormetro. Si es el peso del vapor condensado en el agua fra y es el peso del agua recogida en el calor1metro, la calidad valdr:

Figura 2.10 Calormetro de separacin

BIBLIOGRAFA

a. W.H. SEVERNS, H.E. DEGER, J.C. MILES. Energa mediante vapor, aire o gas

b. V.M. FAIRES. Termodinmica

c. F. MORSE Centrales Termoelctricas

d. BABCKOK AND WILCOX. Steam