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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.
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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).
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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
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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.
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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.