EQUIPOS DE SISTEMA ABIERTO VI CICLO

UNIVERSIDAD NACIONALSan Luis Gonzaga de Ica

“SEGUNDO TRABAJO” EQUIPOS DE SISTEMA

ABIERTO

CURSO : TERMODINAMICA I

ALUMNOS : DONAYRE ORMEÑO JHERSON JAIME. CATEDRATICO: Mag. Rosalio Cusi PalominoCICLO : Vi “B”

Ica – Perú

2010

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CAPITULO I (ASPECTOS GENERALES).

1.1.-INTRODUCCION

Desde que el hombre tuvo razón de si mismo, este fue evolucionando y progresando todo esto lo llevo a crear nuevos equipos que le facilitaran la vida y le traigan comodidades.

La revolución industrial trajo con sigo el invento de nuevas maquinas como la maquina a vapor la cual en su investigación para crearla debe contar con ciertos parámetros de presión y temperatura lo cual conduce a la aplicación de la termodinámica.

Poco a poco trascurra el tiempo y cada ves que se quiera crear un equipo ya sea una bomba para expulsar fluido, un caldero para producir vapor. Un horno, o cualquier otra maquina siempre va estar implicada la termodinámica debido a que se tienen que ser estudios termodinámicos, medir la presión o Temperatura para extraer los datos y poder crear la maquina o equipo

1.2.- ANTECEDENTES:

En 1629 Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de realizar un movimiento en base al impulso que producía sobre una rueda el vapor que salía por un caño. No se sabe a ciencia cierta si la máquina de Branca se construyó, pero, es claro que es el primer intento de construcción de las que hoy se llaman turbinas de acción.

La primera máquina de vapor, construida por el ingeniero inglés Thomas Savery en 1698, consistía en dos recipientes de cobre que se llenaban alternativamente del vapor de una caldera. La máquina de Savery se utilizaba para extraer agua de las minas, como la Desarrollada en 1705 por el inventor británico Thomas Newcomen.

El inventor escocés James Watt mejoró la máquina de Newcomen e introdujo el primer Avance significativo de la caldera, el recipiente esférico o cilíndrico que se calentaba por abajo Con una hoguera. La caldera de Watt, construida en 1785, consistía en un armazón horizontal cubierto de ladrillo con conductos para dirigir los gases calientes de la combustión sobre la caldera. Watt, uno de los

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primeros ingenieros que aprovechó las propiedades termodinámicas Del vapor de agua, utilizó la válvula de seguridad de palanca, manómetros para medir la Presión y grifos para controlar el flujo de agua y vapor en sus calderas

1.3.- RESUMEN:

Las turbinas: Es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbo máquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y este le entrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes.

Los comprensores: que es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la substancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir

Las toberas que es un dispositivo que convierte la energía potencial de un fluido (en forma térmica y de presión) en energía cinética. Como tal, es utilizado en turbo máquinas y otras máquinas, como eyectores, en que se pretende acelerar un fluido para la aplicación de que se trate. El aumento de velocidad que sufre el fluido en su recorrido a lo largo de la tobera es acompañado por una disminución de su presión y temperatura, al conservarse la energía. Y muchos otros equipos.

1.4.-OBJETIVOS:

La termodinámica es útil para todo. Para empezar hay que delimitar a qué se dedica la termodinámica.

La termodinámica se ocupa de los intercambios energéticos entre los sistemas.

La termodinámica establece la espontaneidad de los procesos que se dan entre los sistemas..

El estudio de las propiedades térmicas de los sistemas (como ya han comentado dilataciones, contracciones y cambios de fase).

La termodinámica describe los sistemas con un conjunto reducido de

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variables, las conocidas como variables de estado, sin entrar en la estructura interna o las teorías fundamentales subyacentes.

CAPITULO II

2.- MARCO TEORICO.

2.1.- TOBERASTOBERAS

2.1.1.- OBJETIVO GENERAL:

Familiarizar al alumno con el análisis, operación y funcionamiento de toberas para flujo compresible.

Calibración de toberas para medición de flujo compresible.

Medición de distribución de presiones de toberas.

Generación de ondas de choque en el interior de toberas rectas y divergentes.

El método desarrollado se basa en el viscosímetro de rotación, utilizado para medir la viscosidad de los líquidos.

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Este mismo método ha sido aplicado con éxito para determinar el momento de torsión impartido al hilo durante la texturación.

2.1.2.- DEFINICION:

Una tobera; es un dispositivo que convierte la energía potencial de un fluido (en forma térmica y de presión) en energía cinética. Como tal, es utilizado en turbo máquinas y otras máquinas, como eyectores, en que se pretende acelerar un fluido para la aplicación de que se trate. El aumento de velocidad que sufre el fluido en su recorrido a lo largo de la tobera es acompañado por una disminución de su presión y temperatura, al conservarse la energía.

Tobera De Laval estudió el flujo supersónico en toberas y resolvió el problema de aceleración máxima dentro de la tobera llegando al diseño de toberas con sección convergente-divergente en las que se logra un flujo sónico M = 1 (M = número de Mach) en la garganta para posteriormente expandir la tobera y lograr flujos supersónicos M > 1.

Estas toberas deben tener una expansión adecuada para evitar la generación de ondas de choque o de contracción dentro del flujo La tobera es la encargada de convertir energías, adaptando las presiones y velocidades de los gases eyectados.

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La tobera que usan los cohetes experimentales se denomina De Laval y los flujos que recorren dicha tobera se consideran compresibles al moverse a velocidades supersónicas, por lo que, las diferentes secciones transversales, producen durante el avance de los gases, variaciones en la densidad y en la velocidad del fluido.

Todo ello está supuesto para condiciones de flujo isoentrópico, es decir, condiciones adiabáticas y sin rozamiento.

En la práctica, no existe la condición de flujo isoentrópico ideal, por lo que se aplica un coeficiente de rendimiento que ajusta el cálculo.

La ley de la conservación de la energía; se encarga de aumentar la velocidad en el cono de salida, no por cumplimiento de la dinámica de fluidos, ya que aquí aparecen como compresibles, sino por la conservación del producto «Velocidad x Temperatura».

2.1.3 TIPOS DE TOBERA Y DENOMINACIONES:

La tobera de inyección se compone de dos partes: Cuerpo de la tobera Aguja de la tobera

El tipo de tobera de inyección a incorporar en un motor, viene determinado por la forma de la cámara de combustión.

Un correcto diseño de las boquillas de inyección determinará una rápida respuesta, una correcta definición del principio y del final de inyección y la ausencia de intermitencias.

Las toberas pueden disponer de un único orificio central o varios orificios. La cantidad, tamaño, disposición de orificios (ángulo de abertura), forma del chorro atomizado (cilíndrica o cónica),

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todos éstos factores dependen de los requerimientos del motor.

Pero cuando trabajamos con fluidos compresibles como gases, al tener densidades muy pequeñas la medición no se vuelve confiable. Sin embargo se pueden  crear ciertos dispositivos que vuelven confiables las mediciones, pero son de usos como por ejemplo medir el flujo de gas de una casa particular.

Para solucionar este problema, y problemas como por ejemplo medir caudales que no son laminares, se usan los medidores de flujo internos, entre los que se cuentan el tubo Venturi, las placas orificios, las toberas de flujo, los rotámetros, los medidores de flujo de turbina, etc.

Hay ciertas restricciones que cumplen los medidores de flujo interno, y es que estos se basan en la aceleración de una corriente de fluido a través de una vena contracta o alguna forma de tobera.

Pero que es lo que se quiere lograr con esto; Veámoslo desde el punto de vista de teoría de flujos: cuando las líneas de flujo de un fluido se juntan, por conservación de masa, el caudal debe mantenerse constante, por lo que aumenta la velocidad y disminuye la presión (por conservación de energía). La idea entonces es lograr juntar las líneas de corriente lo más que se pueda, de manera que se logren líneas de flujo paralelamente rectas y por lo tanto la caída de presión es constante a lo largo de estas líneas de corriente.

De esta manera, podemos utilizar la ecuación de Bernoulli entre los puntos justo antes de entrar a la tobera y justo después, obteniendo así una caída de presión

Diferencial y, a partir de esta podemos obtener una relación para el caudal másico que queremos medir. Pero dependiendo también de la forma de la tobera, por ejemplo si se trata de una placa orificio, se debe considerar que a la salida de ésta se forman remolinos que quitan energía al

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flujo, y por lo tanto no se puede ocupar la ecuación de Bernoulli.

2.1.4.-DIBUJO DEL EQUIPO:

Tobera de Inyección.- La tobera de inyección vaporiza a alta presión el bombeo del combustible por la bomba de inyección y forzadamente inyecta dentro de la cámara de combustión a la presión apropiada. La tobera de inyección abre y cierra la aguja de la tobera automáticamente de acuerdo con la presión del combustible.

2.1.5.- EVALUACION MATEMÀTIVOEVALUACION MATEMÀTIVO

2.1.5.1.- GEOMETRIA DE UNA TOBERA

De acuerdo a la ecuación de flujo estable y considerando que en el caso particular de las toberas, el trabajo mecánico desarrollado es igual a cero, puede decirse que la siguiente ecuación es aplicable entre dos secciones cualquiera de la tobera identificadas como 1 y 2.

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Esquema de una tobera con dos secciones cualquiera, 1 y 2

Para efectos de análisis se considera que es un proceso adiabático reversible, por lo tanto:

La velocidad en la sección 2 puede encontrarse despejando (V2) de la ecuación anterior, así:

Y para gases ideales donde h = CpT, puede decirse que:

De la ecuación de continuidad el área de cualquier sección de la tobera es:

Siendo:

(A); área perpendicular a la dirección del flujo.; Flujo másico.

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(v); volumen específico.(V); velocidad del flujo.

Para vapor hay que verificar si se encuentra por debajo de la línea de saturación o si es vapor saturado.

Cuando el proceso de expansión ocurre por debajo de la línea de saturación, parte del vapor se condensaría y en este caso se tiene en cuenta la porción seca del vapor, definida por la calidad (x).

Por lo tanto la anterior expresión se puede escribir como:

Como se explicará más adelante, un proceso de expansión de vapor en una tobera, puede partir desde la región de vapor sobrecalentado hasta la región comprendida por debajo de la línea de saturación sin que el vapor se condense.

Este proceso se conoce como expansión supersaturada. Para expansiones supersaturadas y casos en los que el vapor está saturado o sobrecalentado, la calidad equivale a 1, siendo:

2.1.5.2.- RELACION DE PRESION CRÍTICA

Es la relación que existe entre la presión en la garganta de la tobera donde se alcanza una velocidad sónica y la presión a la entrada de la misma. Para determinar dicha relación se hace uso de las siguientes leyes para gases ideales.

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La ley referenciada como Masa, también puede expresarse de la siguiente forma:

Efectuando un proceso algebraico y utilizando las leyes mencionadas para gases ideales, se obtiene:

Puede decirse que la expresión anterior es una función del área por unidad de masa de gas a través de la tobera. Los valores R y Cp son constantes, al igual que T1, P1 y V1 por ser estas las condiciones conocidas de entrada a la tobera. Por lo tanto, la variación del área depende de la variación de (x) a lo largo de la tobera, es decir, de la relación entre la presión de entrada y la presión en cualquier sección de la misma.

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Si esta función se grafica, probablemente la curva obtenida será similar a la mostrada en la figura:

Gráfica de la variación del área por unidad de masa para diferentes valores de x.

Debido a que la relación de presión crítica se encuentra en la garganta de la tobera, es necesario calcular el área mínima derivando la expresión anterior e igualando a cero. El resultado de este desarrollo es:

Para efectos de análisis, algunos autores como Eastop y Mc Conkey consideran que la velocidad de entrada a la tobera es despreciable en comparación con la velocidad de salida, por lo tanto la expresión.

; Podría tomar un valor de 0.

En consecuencia, se puede decir que:

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Para el vapor de agua no puede hacerse el mismo análisis, debido a que se desvía considerablemente de las leyes de los gases ideales. Sin embargo probando una analogía con la expresión que relaciona la presión y el volumen específico de un gas que se expande adiabáticamente, podría decirse que durante una expansión adiabática del vapor

Se ha demostrado que al graficar las relaciones logarítmicas de esta expresión los valores de del vapor varían muy poco para diferentes presiones iníciales. Un valor medio para tomado por varios autores para vapor inicialmente seco y saturado es 1.135 y para vapor inicialmente sobrecalentado es de 1.3 ). Por lo tanto, es bastante aproximado afirmar que para el vapor también se cumple la siguiente expresión:

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Combinando y desarrollando las dos expresiones anteriores se obtiene:

2.1.5.3 EFICIENCIA DE LAS TOBERAS

Debido a la fricción que ocurre entre el fluido y las paredes de la tobera y entre las propias capas del fluido, se producen algunas pérdidas que hacen que el proceso de expansión sea irreversible pero adiabático y por lo tanto, habrá una diferencia entre el proceso de expansión en condiciones ideales y el proceso en condiciones reales relacionada con la eficiencia.

En general, se puede decir que para determinar la eficiencia de una tobera se compara el desempeño real bajo condiciones definidas, con el desempeño que alcanzaría en condiciones ideales.

Una manera de evaluar esta eficiencia es por medio de la relación que existe entre la ganancia de energía cinética debida a la caída de entalpía en condiciones reales y la ganancia de energía cinética debida a la caída de entalpía en condiciones ideales.

Diagrama H-S donde se representa la caída de entalpía en condiciones ideales y reales.

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Para el análisis de un caso ideal, en el cual no hay fricción entre el fluido y las paredes de la tobera, puede decirse que el proceso de expansión ocurre a lo largo de una línea isentrópica

Esta suposición permite determinar gráficamente o con las tablas termodinámicas la entalpía y el volumen específico para cualquier presión intermedia entre la presión de entrada y salida.

Diagrama T-s en el que se representa una expansión isentrópica entre dos presiones

A pesar de que se puede calcular el área para cualquier presión intermedia, no puede determinarse el perfil o forma de la tobera a lo largo de su eje longitudinal. El diseño del perfil de la tobera depende de cómo cae la presión a lo largo de su longitud y a su vez la variación de la presión depende del perfil de la tobera.

Considerando que la caída de presión es uniforme a lo largo de la tobera, puede calcularse la variación del área transversal, velocidad y volumen específico para el vapor o gas que fluye a través de ella.

2.1.6.-CONCLUSIONES

Las conclusiones son que para empezar la aceleración de un fluido, la tobera necesariamente ha de ser convergente en su primera sección, pero si se quiere que la velocidad del fluido supere la del sonido, debe tener una segunda sección divergente. En el punto entre ambas secciones, llamado garganta de la tobera, la velocidad del fluido es la del sonido.

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2.2.- COMPRESORES

2.2.1.- OBJETIVOS:

El objetivo de los compresores es aumentar la presión de una

gran variedad de gases y vapores para un gran número de

aplicaciones.

El compresor de de refrigeración tiene como objetivo

comprimir el gas del vaporizador.

Hacer una selección de los materiales que van hacer necesario

2.2.2.- FUNDAMENTO TEORICO:

Para producir aire comprimido se utilizan compresores que elevan la presión del aire al valor de trabajo deseado.

Los mecanismos y mandos neumáticos se alimentan desde una estación central. Entonces no es necesario calcular ni proyectar la transformación de la energía para cada uno de los consumidores. El aire comprimido viene de la estación compresora y llega a las instalaciones a través de tuberías.

Los compresores móviles se utilizan en el ramo de la construcción o en máquinas que se desplazan frecuentemente. En el momento de la planificación es necesario prever un tamaño superior de la red, con el fin de poder alimentar aparatos neumáticos nuevos que se adquieran en el futuro. Por ello, es necesario

Sobredimensionar la instalación, al objeto de que el compresor no resulte más tarde insuficiente, puesto que toda ampliación ulterior en el equipo generador supone gastos muy considerables.

Es muy importante que el aire sea puro. Si es puro el generador de aire comprimido tendrá una larga duración. También debería tenerse en cuenta la aplicación correcta de los diversos tipos de compresores

Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva

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reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor.

Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas de alta presión, mientras que los ventiladores y soplantes se consideran de baja presión.

Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran número de aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción de gases, turbinas de gas y construcción.

2.2.3.- DEFINICION:

Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores.

Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

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2.2.4.- DIBUJO DEL EQUIPO:

Tenemos diferentes tipos de compresores:

2.2.4.1.- Compresores de émbolo oscilante:

Compresor de émbolo oscilante. Este es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o

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alta presión. Su campo de trabajo se extiende desde unos 1 .100 kPa (1 bar) a varios miles de kPa (bar).

Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema refrigeración.

2.2.4.2.- Compresores de émbolo rotativo:

Consiste en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio. El aire es comprimido por la continua reducción del volumen en un recinto hermético.

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2.2.4.3.- Compresor de membrana:

Una membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles.

Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento de aceite. Estos, compresores se emplean con preferencia en las industrias alimenticias farmacéuticas y químicas.

2.2.4.4.Turbocompresores:

Trabajan según el principio de la dinámica de los fluidos, y son muy apropiados para grandes caudales. Se fabrican de tipo axial y radial. El aire se pone en circulación por medio de una o varias ruedas de turbina. Esta energía cinética se convierte en una energía elástica de compresión.

El turbocompresor consiste en una turbina movida por los gases de escape de un motor de explosión, en cuyo eje se fija solidariamente un compresor centrífugo que toma el aire a presión atmosférica después de pasar por el filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión que la atmosférica. Este aumento de la presión consigue introducir en el cilindro una mayor cantidad de oxígeno (masa) que la masa normal que el cilindro aspiraría a presión atmosférica, obteniendo el motor más potencia que un motor atmosférico de cilindrada equivalente, y con un incremento de consumo proporcional al aumento de masa de aire.

Los turbocompresores más pequeños y de presión de soplado más baja ejercen una presión máxima de 0,25 bar (3,625 psi), mientras

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que los más grandes alcanzan los 1,5 bar (21,75 psi). En motores de competición se llega a presiones de 3 y 8 bar. Dependiendo de si el motor es gasolina o diesel.

Como la energía utilizada para comprimir el aire de admisión proviene de los gases de escape, que se desecharía en un motor atmosférico, no resta potencia al motor cuando el turbocompresor está trabajando, tampoco provoca pérdidas fuera del rango de trabajo del turbo, a diferencia de otros, como los sistemas con compresor mecánico (sistemas en los que el compresor es accionado por una polea conectada al cigüeñal).

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2.2.4.5.- El compresor axial:

Se desarrollo para utilizarse con turbinas de gas y posee diversas ventajas para servicios en motores de reacción de la aviación. Su aceptación por la industria para instalaciones estacionarias fue lenta; pero se construyeron varias unidades de gran capacidad para altos hornos, elevadores de la presión de gas y servicios en túneles aerodinámicos.

En los compresores de este tipo, la corriente de aire fluye en dirección axial, a través de una serie de paletas giratorias de un motor y de los fijos de un estator, que están concéntricos respecto al eje de rotación.

A diferencia de la turbina, que también emplea los paletas de un motor y los de un estator, el recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendo de área de su sección transversal, en la dirección de la corriente en proporción a la reducción de volumen del aire según progresa la compresión de escalón a escalón.

Una vez suministrado el aire al compresor por el conducto de admisión, pasa la corriente a través de un juego de paletas directores de entrara, que preparan la corriente para el primer escalón de del compresor.

Al entrar en el grupo de paletas giratorios, la corriente de aire, que tiene una dirección general axial se defecta en la dirección de la rotación.

Este cambio de dirección de la corriente viene acompañado de una disminución de la velocidad, con la consiguiente elevación de presión por efecto de difusión.

Al pasar la corriente a través del otro grupo de paletas del estator se lo para y endereza, después de lo cual es recogida por el escalón siguiente de paletas rotatorios, donde continúa el proceso de presurización.

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2.2.4.6.- Compresor radial:

Se basan en el principio de la compresión de aire por fuerza centrifuga y constan de un rotor centrífugo que gira dentro de una cámara espiral, tomando aire en sentido axial y arrojándolo a gran velocidad en sentido radial.

La fuerza centrifuga que actúa sobre el aire lo comprime contra la cámara de compresión. Pueden ser de una o varias etapas de compresión consecutivas, alcanzándose presiones de 8 bar y caudales entre 10.000 y20.000 m /h.

Son maquinas de alta velocidad, siendo esta un factor fundamental en el funcionamiento ya que esta basado en principios dinámicos, siendo la velocidad de rotación del orden de las 15.000 a 20.000 r.p.m., y aun más.

- PRESIÓN:

También se distinguen dos conceptos:

La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe en las tuberías que alimentan a los consumidores. La presión de trabajo es la necesaria en el puesto de

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trabajo considerado. En la mayoría de los casos, es de 600 kPa (6 bar).

Por eso, los datos de servicio de los elementos se refieren a esta presión. Importante: Para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es necesario que la presión tenga un  calor constante.

De ésta dependen: La velocidad - las fuerzas - el desarrollo secuencial de las fases de los elementos de trabajo.

- ACCIONAMIENTO:

Los compresores se accionan, según las exigencias, por medio de un motor eléctrico o de explosión interna. En la industria, en la mayoría de los casos los compresores se arrastran por medio de un motor eléctrico. Si se trata de un compresor móvil, éste en la mayoría de los casos se acciona por medio de un motor de combustión (gasolina, Diesel).

2.2.5.- EVALUACION MATEMATICA:

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EJEMPLO:

Un compresor succiona aire del medio ambiente a una presión absoluta de 100 kPa y 27 ºC. La presión del aire del lado de la descarga del compresor es de 400 kPa y su temperatura de 197 ºC. La velocidad del aire del lado de la succión (entrada) del compresor es prácticamente despreciable, mientras que la velocidad del aire del lado de la descarga (salida) es de 90 m/s. El flujo de masa del aire que circula a través del compresor es de 1,000 kg/min. El compresor opera en condiciones adiabáticas. Determine la potencia del compresor, (kJ/s).

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BALANCE (DE PRIMERA LEY):

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2.2.6.- VENTAJAS:

Ofrece una variación bastante amplia en el flujo con un cambio pequeño en la carga.

La ausencia de piezas rozantes en la corriente de compresión permite trabajar un largo tiempo entre intervalos de mantenimiento, siempre y cuando los sistemas auxiliares de aceites lubricantes y aceites de sellos estén correctos.

Se pueden obtener grandes volúmenes en un lugar de tamaño pequeño. Esto puede ser una ventaja cuando el terreno es muy costoso.

Su característica es un flujo suave y libre de pulsaciones.

2.2.7.- DESVENTAJAS:

Los compresores centrífugos son sensibles al peso molecular del gas que se comprime. Los cambios imprevistos en el peso molecular pueden hacer que las presiones de descarga sean muy altas o muy bajas.

Se necesitan velocidades muy altas en las puntas para producir la presión. Con la tendencia a reducir el tamaño y a aumentar el flujo, hay que tener mucho más cuidado al balancear los motores y con los materiales empleados en componentes sometidos a grandes esfuerzos.

Un aumento pequeño en la caída de presión en el sistema de proceso puede ocasionar reducciones muy grandes en el volumen del compresor.

Se requiere un complicado sistema para aceite lubricante y aceite para sellos.

2.2.8.- CONCLUSION:

El conocimiento de los distintos tipos de compresores que actualmente utilizan las empresas, es absolutamente necesario para el desempeño de un mecánico en mantención.

Es por ello que el presente trabajo tiene como finalidad entender de manera sencilla el funcionamiento de los compresores anteriormente descritos y de esta forma, comprender las nociones básicas para realizar las tareas que en el futuro deberemos enfrentar.

2.3.- TURBINA

2.3.1.- OBJETIVOS:

•Dada la posibilidad de que una vez probado el funcionamiento de la Turbina de Río, se pueda transferir dicha tecnología a otras regiones

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donde existan recursos hídricos utilizables mediante esta maquina, además de que este tipo de sistemas no necesita de grandes obras civiles ni mecánicas para funcionar, lo cual trae grandes beneficios en cuanto a la reducción de costos frente a otras formas convencionales para generar electricidad.

2.3.2.- FUNDAMENTO TEORICO:

Una turbina es una máquina a través de la cual transita un fluido de manera continua, y que la atraviesa en un movimiento rotativo de un eje. Es común la confusión entre una turbina y un turborreactor, tipo de motor empleado en jets comerciales; en este contexto en estricto rigor la turbina es solo un componente del turborreactor, que consta de otras etapas como las de compresión e ignición. Tampoco hay que confundir la turbina con los generadores, ya que en ocasiones se aprovecha el movimiento rotatorio del eje de la turbina para generar por ejemplo electricidad, como veremos más adelante.

El fluido del que se habla puede ser líquido, como sucede en las turbinas hidráulicas que se encuentran en las centrales hidroeléctricas, así como también puede ser vapor de agua o ciertos gases generados de la combustión de algún combustible, tal como es el caso de las turbinas de vapor y de gas.

Una turbina, como se mencionaba, es una turbo máquina, que consta de un eje de rotación que se mueve gracias a una o dos ruedas con paletas adosadas, las que se denominan rotor y estator. El rotor se mueve gracias al impulso que le da el fluido con su movimiento continuado, arrastrando el eje que permite el movimiento de rotación.

Existen varios tipos de turbina, y entre los más importantes es necesario destacar a las turbinas hidráulicas. Este tipo de turbo máquinas se caracterizan por poseer un fluido que, a lo largo de su trabajo, no presenta variaciones considerables en cuanto a su densidad. Las más comunes son las turbinas de agua.

Otro tipo de turbinas son las turbinas térmicas, que a diferencia de las hidráulicas poseen un fluido que si sufre cambios en su densidad a medida que pasa a través del rodete. A su vez, es posible encontrar turbinas térmicas de dos tipos: las turbinas a vapor y las turbinas a gas.

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2.3.3.- DEFINICION:

Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y este le entrega su energía a través de un rodete con paletas o alabes.

2.2.4.- DIBUJO DEL EQUIPO:

Las turbinas, por ser turbomáquinas, 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:

2.2.4.1.- TURBINAS HIDRÁULICAS:

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por el rodete o por el estator; 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.

La turbina hidráulica es la encargada de transformar la energía mecánica en energía eléctrica, por esto es de vital importancia saber elegir la turbina adecuada para cada sistema hidroeléctrico.

La función de una planta hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada en un lago, a una elevación más alta y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica. Este proceso toma en consideración varios factores entre los cuales uno de los más importantes es la caída de agua (head). Este factor es decisivo al momento de escoger el tipo de turbina hidráulica que se instala en la planta.

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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 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.

Se llaman así cuando la transformación de la energía potencial en energía cinética se produce en los órganos fijos anteriores al rodete (inyectores o toberas). En consecuencia el rodete solo recibe energía cinética. La presión a la entrada y salida de las cucharas (o alabes) es la misma e igual a la atmosférica.

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Turbinas de reacción: Se llama así (en el caso de pura) cuando se transforma la energía potencial en cinética íntegramente en el rodete. Este recibe solo energía potencial. La presión de entrada es muy superior a la presión del fluido a la salida. Esto ocurre en un aspersor. En la realidad no se ha desarrollado este tipo de turbina industrialmente. Se llaman así aun que habría que considerarlas como un tipo mixto.

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, exiten 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.

2.2.4.2.- TURBINAS TÉRMICAS:

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por la máquina.

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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.

La turbina de vapor es una máquina de fluido en la que la energía de éste pasa al eje de la máquina saliendo el fluido de ésta con menor cantidad de energía.

La energía mecánica del eje procede en la parte de la energía mecánica que tenía la corriente y por otra de la energía térmica disponible transformada en parte en mecánica por expansión. Esta expansión es posible por la variación del volumen específico del fluido que evoluciona en la máquina.

El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su temperatura y se reduce su energía interna.

Esta reducción de la energía interna se transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que permite disponer directamente de una gran cantidad de energía.

Cuando el vapor se expande, la reducción de su energía interna en 400 cal puede producir un aumento de la velocidad de las partículas a unos 2.900 km/h. A estas velocidades la energía disponible es muy elevada, a pesar de que las partículas son extremadamente ligeras.

Si bien están diseñadas de dos formas diferentes, las partes fundamentales de las turbinas de vapor son parecidas. Consisten en boquillas o chorros a través de los que pasa el vapor en expansión, descendiendo la temperatura y ganando energía cinética, y palas sobre las que actúa la presión de las partículas de vapor a alta velocidad.

La disposición de los chorros y las palas depende del tipo de turbina. Además de estos dos componentes básicos, las turbinas cuentan con ruedas o tambores sobre los que están montadas las palas, un eje para las ruedas o los tambores, una carcasa exterior que retiene el vapor dentro de la zona de la turbina, y varios componentes adicionales como dispositivos de lubricación y controladores.

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Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase del fluid o durante su paso por el rodete.

Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa

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comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.

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 estator, 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 estator, 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.

2.2.4.3.- TURBINAS EÓLICAS:

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

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

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eléctrica generada se puede almacenar en baterías o utilizarse directamente.

Las turbinas eólicas diseñan para convertir la energía del movimiento del viento (energía cinética) en la energía mecánica, movimiento de un eje. Luego en los generadores de la turbina, ésta energía mecánica se convierte en electricidad. La electricidad generada se puede almacenar en baterías, o utilizar directamente. Hay tres leyes físicas básicas que gobiernan la cantidad de energía aprovechable del viento. La primera ley indica que la energía generada por la turbina es proporcional a la velocidad del viento al cuadrado. La segunda ley indica que la energía disponible es directamente proporcional al área barrida de las paletas. La energía es proporcional al cuadrado de la longitud de las paletas. La tercera ley indica que existe una eficacia teórica máxima de los generadores eólicos del 59%. En la práctica, la mayoría de las turbinas de viento son mucho menos eficientes que esto, y se diseñan diversos tipos para obtener la máxima eficacia posible a diversas velocidades del viento. Los mejores generadores eólicos tienen eficacias del 35% al 40%.

2.2.4.4.- TURBINA SUBMARINA:

Una Turbina Submarina es un dispositivo mecánico que convierte la energía de las Corrientes Submarinas en energía eléctrica. Consiste en aprovechar la energía cinética de las Corrientes Submarinas, fijando al fondo submarino turbinas montadas sobre torres

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prefabricadas para que puedan rotar en busca de las corrientes submarinas, ya que la velocidad de las corrientes submarinas varía a lo largo de un año se han de ubicar en los lugares más propicios en donde la velocidad de las corrientes varían entre 3 km/h y 10 km/h para implantar Centrales turbínicas preferentemente en profundidades lo más someras posibles y que no dañen ningún ecosistema submarino.

Las turbinas tendrían una malla de protección que impediría la absorción de animales acuáticos.

2.2.5.- EVALUACION MATEMATICA:

La ecuación de continuidad o conservación de masa es una herramienta muy útil para el análisis de fluidos que fluyen a través de tubos o ductos con diámetro variable. En estos casos, la velocidad del flujo cambia debido a que el área transversal varía de una sección del ducto a otra.

Si se considera un fluido con un flujo a través de un volumen fijo como un tanque con una entrada y una salida, la razón con la cual el fluido entra en el volumen debe ser igual a la razón con la que el fluido sale del volumen para que se cumpla el principio fundamental de conservación de masa.

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Representación de un dispositivo (Tobera, Turbina o Alabe) a través del cual fluye vapor o gas.

La ecuación de continuidad es empleada para el análisis de boquillas, toberas, altura de álabes de turbinas y compresores, perfil de los álabes de las turbinas a reacción entre otros.

3.- PRECAUCIONES:

- Al igual que cualquier máquina de alta velocidad, la turbina debe tratarse y utilizarse con sumo cuidado. Si se producen ruidos o vibración inusual, debe cerrarse inmediatamente la válvula de admisión.

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- La velocidad continua máxima de la turbina es de 40.000 rpm, si bien puede funcionar a 50.000 rpm durante un breve periodo de tiempo.

- Con la turbina parada, puede retirarse la caja de escape para examinar detenidamente la turbina. Siempre que la turbina esté en funcionamiento la caja de escape ha de estar cerrada.

- Los cojinetes deben lubricarse regularmente.

4.- CONCLUSION:

La aplicación de las turbinas es muy frecuente para obtener energía eléctrica ya sea por cualquier método posible. Un claro ejemplo es que las turbinas se pueden utilizar de muchas maneras como, por ejemplo, en una central térmica , una hidroeléctrica.

Mediante las turbinas hemos podido aprovechar diversas energías que no podrían haber sido aprovechadas de otra manera. Con éstas hemos podido sacar provecho de muchos tipos distintos de energías.

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