UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´

FACULTAD: ING. QUÍMICA Y AMBIENTAL

ESCUELA: ING. QUÍMICA

TERMODINAMICA I

PROFESOR :

ING. ROSALIO CUSI PALOMINO.

ALUMNOS:

CRISPIN CORONADO, LUIS

MAGALLANEZ DIAZ, LOURDES

VENTURA ROJAS, CYNTHIA

CICLO:

VI “A”

ICA – PERU

-2010-

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DEDICATORIA: Dedicamos este trabajo al docente del área de ingeniería química con el fin de proporcionar temas de vital importancia para el conocimiento y experiencia de la materia.

A los alumnos porque están en constante aprendizaje para que compartan sus conocimientos porque es una manera efectiva de aprender más y ayudar a que otros aprendan también.

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INTRODUCCIONEl presente informe se efectúa para explicar sobre la aplicación d la primera ley de la termodinámica en equipos.

En este caso nos inclinamos al estudio respectivo de equipos tales como:

Compresores

Toberas

Válvulas

En la cual esta maquinas trabajan en un sistema abierto a la cual se le denominan régimen permanente.

Durante la investigación profunda sobre estos equipos hemos podido observar, comprender, analizar, anotar conclusiones a las cuales llegamos después del análisis de la información, por lo cual dejamos constancia de ello a continuación.

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PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

La primera ley de la termodinámica o Primer Principio de la termodinámica es una aplicación de la ley universal de conservación de la energía a la termodinámica y, a su vez, identifica el calor como una transferencia de energía. Uno de los enunciados de la primera ley de la termodinámica es el siguiente:

El incremento de la energía interna de un sistema termodinámico es igual a la diferencia entre la cantidad de calor transferida a un sistema y el trabajo realizado por el sistema a sus alrededores.

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

La ley de la conservación de la energía constituye el primer principio de la termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calentador

Aplicaciones de la Primera Ley Sistemas cerrados:

Un sistema cerrado es uno que no tiene entrada ni salida de masa. El sistema cerrado tiene interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, así como puede realizar trabajo de frontera.

TERMODINAMICA I ING. ROSALIO CUSI PALOMINO

UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´La ecuación general para un sistema cerrado (despreciando energía cinética y potencial) es:

Q − W = ΔU

Donde Q es la cantidad total de transferencia de calor hacia o desde el sistema (positiva cuando entra al sistema y negativa cuando sale de éste), W es el trabajo total (negativo cuando entra al sistema y positivo cuando sale de éste) e incluye trabajo eléctrico, mecánico y de frontera; y U es la energía interna del sistema.

Sistemas abiertos

Un sistema abierto es aquel que tiene entrada y/o salida de masa, así como interacciones de trabajo y calor con sus alrededores, también puede realizar trabajo de frontera.

La ecuación general para un sistema abierto es:

O igualmente:

Q − W + ∑ minθin − ∑ moutθout = ΔEsistema

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Q ( - ) salida de calor

Q ( + ) entrada de calor

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in out

Donde in representa todas las entradas de masa al sistema; out representa todas las salidas de masa desde el sistema; y θ es la energía por unidad de masa del flujo y comprende entalpía, energía potencial y energía cinética,

.

La energía del sistema es

Sistemas abiertos en estado estacionario

El balance de energía se simplifica considerablemente para sistemas en estado estacionario (también conocido como estado estable). En estado estacionario se tiene ΔEsistema = 0, por lo que el balance de energía queda:

Sistema Aislado

Es aquel sistema en el cual no hay intercambio ni de masa ni de energía con el exterior

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EQUIPOS

OBJETIVOS

Analizar la existencia del mantenimiento de los compresores.

Establecer principios para la elaboración de los programas de mantenimiento.

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COMPRESORESCOMPRESORES

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Diseñar e implementar un programa de mantenimiento preventivo para los Compresores de Aire

MARCO TEÓRICO

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 (consumen trabajo al hacerlo). 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. 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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Utilización

Se utiliza en campos de la ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida.

Se encuentran en cada refrigerador casero.

En infinidad de sistemas de aire acondicionado.

En sistemas de generación de energía eléctrica, tal

como lo es el Ciclo Brayton. Se encuentran en el interior muchos "motores de avión", como lo son los turborreactores y hacen posible su funcionamiento.

Se pueden comprimir gases para la red de alimentación de sistemas neumáticos, los cuales mueven fábricas completas.

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´La mayoría de las bombas y compresores usados en las operaciones normales de procesos son del tipo centrífugo - lo que está de acuerdo con nuestra observación previa de que la mayoría de los procesos tienden a ser de tipo continuo.

Componentes de un compresor

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´ Circulación de gas Sistema de descarga

Clasificación

Hay dos clases principales de compresores:

Compresores de desplazamiento positivo: Entre los que incluyen compresores de pistón, diafragma y de engranajes.

Compresores Centrífugos.

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A.COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Los compresores de desplazamiento positivo son usualmente capaces de altas razones de compresión por etapa, pero como operan discontinuamente no pueden trabajar con caudales elevados.

Son unidades donde el incremento de presión se logra introduciendo un volumen de gas en espacio determinado, que posteriormente es reducido por medios mecánicos.

Entre los que se incluyen compresores de pistón, de diafragma y de engranajes.

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I. COMPRESORES DE PISTÓN

Son los más antiguos y conocidos entre los compresores de desplazamiento positivo. Son llamados también reciprocantes o alternativos.

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´En estos equipos el elemento principal de compresión es un pistón que se mueve alternativamente dentro de un cilindro, lográndose así la reducción del volumen del gas a comprimir.

Los compresores de pistón pueden ser se simple o doble efecto, según si una o ambas caras del pistón realicen compresión sobre el fluido:

Los de simple efecto comprimen el aire en la parte superior del cilindro y normalmente son del tipo entroncado.

Los de doble efecto requieren una acople mediante crucetas, para procurar que el movimiento de vástago sea lineal, con lo cual puede lograrse una reducción en el largo del pistón, creándose dos cámaras de compresión: una por arriba y otra por abajo del mismo.

Simple efecto       Doble efecto

.

Los compresores reciprocantes pueden ser además:

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Lubricados; Si el proceso lo permite, es preferible tener un compresor lubricado, porque las piezas durarán más.

No lubricados; estos tienen anillos de politetrafluoretileno (PTFE) auto-lubricados. Los compresores no lubricados del tipo entroncado tienen carcaza seca, con rodamientos de engrase permanente, mientras que los de cruceta tienen la biela más larga de forma que su parte lubricada no entre en la cámara de compresión.

Los compresores reciprocantes normalmente tienen válvula auto-accionadas las cuales abren y cierran según la diferencia de presión que exista a través de ellas.

Actualmente el máximo número de pistones es de  8 (9 en algún caso). Antiguamente, estos compresores tenían hasta 16 pistones pero dejaron de fabricarse con la entrada del compresor de tornillo del cual se pensó erróneamente, que podría desbancar al compresor alternativo en todos los frentes y de hecho, se emplearon masivamente en el rango de 80 a 4.000 m3/h. En la actualidad, se aprecia una recuperación importante de los compresores alternativos de hasta  400m3/h así como la vuelta a filosofías, que algunos consideraban obsoletas, tales como el accionamiento por correas, que como veremos más adelante, cuenta con indudables ventajas.

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II. COMPRESORES DE DIAFRAGMA

Este tipo forma parte del grupo de compresores de émbolo. Una membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles como en el alternativo. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido no poseerá  aceite como puede suceder con el alternativo ya que el aire toma contacto con las piezas.El movimiento obtenido del motor, acciona una excéntrica y por su intermedio el conjunto biela - pistón. Esta acción somete a la membrana a un vaivén de desplazamientos cortos e intermitentes que desarrolla el principio de aspiración y compresión su funcionamiento

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es muy similar al alternativo por lo q solo se difieren el uso de una membrana.

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Debido a que el aire no entra en contacto con elementos lubricados, el aire comprimido resulta de una mayor pureza, por lo que lo hace especialmente aplicable en industrias alimenticias, farmacéuticas , químicas y hospitales no como al alternativo q es utilizados para procesos en lo q la limpieza del aire no son importantes.

III. COMPRESORES DE ENGRANAJES

Engranes Externos: Éstas constituyen el tipo rotatorio más simple. Conforme los dientes de los engranes se

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separan en el lado el líquido llena el espacio, entre ellos. Éste se conduce en trayectoria circular hacia afuera y es exprimido al engranar nuevamente los dientes. Los engranes pueden tener dientes simples, dobles, o de involuta. Algunos diseños tienen agujeros de flujo radiales en el engrane loco, que van de la corona y del fondo de los dientes a la perforación interna. Éstos permiten que el líquido se comunique de un diente al siguiente, evitando la formación de presiones excesivas que pudiesen sobrecargar las chumaceras y causar una operación ruidosa.

Engrane Interno: Estas tienen un rotor con dientes cortados internamente y que encajan en un engrane loco, cortado externamente. Puede usarse una partición en forma de luna creciente para evitar que el líquido pase de nuevo al lado de succión de la bomba.

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B.COMPRESORES CENTRIFUGOS

Los compresores centrífugos, no son capaces de producir altas razones de compresión por etapa, pero pueden trabajar con grandes volúmenes de flujo, debido a que operan continuamente.

Los ventiladores son compresores centrífugos de baja presión con una rueda de paletas de poca velocidad periférica (de 10 a 500 mm de columna de agua; tipos especiales hasta 1000 mm). Las máquinas soplantes rotativas son compresores centrífugos de gran velocidad tangencial (120 a 300 m/seg.) y una relación de presiones por escalón p2/p1 = 1,1 a 1,7. Montando en serie hasta 12 ó 13 rotores en una caja puede alcanzarse una presión final de » 12kg/cm2, comprimiendo aire con refrigeración repetida.

Compresores centrífugos también descargan de aire a alta presión, pero lo hacen utilizando una centrifugadora. Una rotación de la cuchilla de aire se basa en la máquina, y convierte el desplazamiento del aire, la creación de una alta presión de descarga. Las corrientes de aire continuamente a través de la centrífuga compresor de aire, que se convirtió en un popular compresor de aire modelo industrial, debido a la mayor capacidad asociados a los usos compresores de aire

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´industriales. Un compresor de aire centrífugo no utiliza el ambiente para enfriar el aire como los alternativos. Sin embargo, el funcionamiento del motor de la máquina hace uso de aceite de lubricación. Estos compresores rotan a velocidades muy altas, lo que crea problemas de seguridad un inconveniente q el alternativo no posee, y hace de este un modelo industrial más que un modelo para el hogar como se lo utiliza al alternativo.

VENTAJAS:

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.

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 esta característica no la comparte con el compresor de tipo alternativo.

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

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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.

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EVALUACION MATEMATICA

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´Los Compresores pertenecen a un sistema abierto; se dice que todo sistema abierto trabaja en régimen permanente.

Régimen permanente es definido como un proceso en el cual las propiedades del sistema ( ya sean propiedades de punto de promediadas ) no cambian con el tiempo. Es decir si examinamos ya sea un punto particular del sistema o el sistema como un todo, su propiedades no variaran con el tiempo. Esto de ninguna manera implica que las propiedades en todos los puntos debe ser idénticas, sino solo que las propiedades de cada punto son invariantes en el tiempo. Dado que la masa de un sistema es una propiedad del sistema, el

régimen permanente implica que:

Podemos dividir la Ec. Por `` δ M ´´ para obtener:

Donde :

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( H + u2 + gZ )ent δ M - ( H + u2 + gZ )sal δ M + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

( H + u2 + gZ )ent δ M - ( H + u2 + gZ )sal δ M + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

( H + u2 + gZ )ent - ( H + u2 + gZ )sal + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

δ M δ M

( H + u2 + gZ )ent - ( H + u2 + gZ )sal + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

δ M δ M

δ Q = Q = Calor Absorbido δ M unidad de masa que fluye a través del equipo

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Así la ecuación se reduce a :

En la mayoría de los compresores se verifica que los términos :

^

Son usualmente muy pequeños en comparación con el termino ∆H. Por consiguiente, se supone a menudo que estos términos

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δ W = W = Trabajo Liberado δ M unidad de masa que fluye a través del equipo

∆ ( u2 )

2gc

∆ ( gZ )

gc

∆ ( H + u2 + gZ ) + Q - W = 0

2gc gc

∆ ( H + u2 + gZ ) + Q - W = 0

2gc gc

UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´pueden ser despreciados. Con estas suposiciones, la ecuación de la energía en estado estacionario se reduce a:

Si el compresor es operado adiabáticamente, es decir, sin intercambio de calor con el ambiente, se tiene:

La Ecuación se reduce a :

CONCLUSIONES

Después de haber concluido con este equipo he notado la importancia de este , el cual nos sirve, para comprimir los gases como también los líquidos.

Este equipo nos ayuda a disminuir el volumen de una determinada cantidad de aire y a la vez aumentar su presión por medio de procedimientos mecanicos. El aire que

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∆H = Q - W∆H = Q - W

Q = 0

∆H = - W

UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´comprime posee una gran energía potencial, ya que si eliminamos la presión exterior, se expandiría rápidamente. El control de esta fuerza expansiva proporciona la fuerza motriz de muchas máquinas y herramientas, como martillos neumáticos, taladradoras, limpiadoras de chorro de arena y pistolas de pintura.

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.

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OBJETIVOS

Están diseñadas para brindar un desplazamiento tranquilo y sin contratiempos ya que reducen el consumo de combustible y mantienen controlados los niveles de emisiones.

Conocer el funcionamiento de las toberas como también sus aplicaciones como equipo en las diferentes industrias que puedan ser utilizadas.

MARCO TEÓRICO

DEFINICION

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TOBERASTOBERAS

UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´Una tobera que es un dispositivo 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

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´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. 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».

Tipos de tobera y denominaciones

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´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 determinarán una rápida respuesta, una correcta definición del principio y del final de la 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)..., todos éstos factores dependen de los requerimientos del motor.

Designaciones de Toberas KS:

LS: Tobera de orificios normal

LLS: Tobera de orificios de cola larga

ZS: Tobera de tetón

ZSD: Tobera de tetón estrangulado

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I. TOBERAS DE TETÓN ZS / ZSD

A - Tobera de tetón

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´B - Aspecto del chorro de una tobera de tetón estrangulado

En motores con antecámara de combustión se colocan toberas de tetón ZS cuya principal característica es un orificio central de inyección.

Las toberas de tetón estrangulado ZSD retardan el chorro de inyección, es decir, al abrirse la aguja sólo se deja libre una pequeña sección transversal de flujo por la que apenas pasa combustible.

A medida que asciende la presión, la sección transversal de flujo aumenta gradualmente, y en el momento en que la aguja de la tobera llega al final de carrera, inyecta la mayor cantidad posible de combustible.

Como resultado se obtiene una combustión suave y se disminuye el golpeteo.

II. TOBERAS DE ORIFICIOS LS / LLS

A - Tobera de orificios

B - Aspecto del chorro de una tobera de orificios

En los motores de inyección directa, se montan toberas de orificio con cabeza cónica y orificios muy pequeños, por los que se pulveriza el combustible.

Como anteriormente se mencionaba, la cantidad, tamaño y disposición de los orificios dependerán de los requerimientos del motor.

Las boquillas de orificios de cola larga LLS, normalmente entre las válvulas de la culata del cilindro, ...

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´se diseñan para motores de inyección directa, ...motores con limitación de espacio

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EVALUACION MATEMATICA

Las Toberas al igual que los Compresores pertenecen a un sistema abierto; se dice que todo sistema abierto trabaja en régimen permanente.

Régimen permanente es definido como un proceso en el cual las propiedades del sistema (ya sean propiedades de punto de promediadas) no cambian con el tiempo. Es decir si examinamos ya sea un punto particular del sistema o el sistema como un todo, su propiedades no variaran con el tiempo. Esto de ninguna manera implica que las propiedades en todos los puntos deben ser idénticas, sino solo que las propiedades de cada punto son invariantes en el tiempo. Dado que la masa de un sistema es una propiedad del sistema, el régimen permanente implica que:

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Podemos dividir la Ec. Por `` δ M ´´ para obtener:

Donde:

Así la ecuación se reduce a:

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( H + u2 + gZ )ent δ M - ( H + u2 + gZ )sal δ M + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

( H + u2 + gZ )ent δ M - ( H + u2 + gZ )sal δ M + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

( H + u2 + gZ )ent - ( H + u2 + gZ )sal + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

δ M δ M

( H + u2 + gZ )ent - ( H + u2 + gZ )sal + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

δ M δ M

δ Q = Q = Calor Absorbido δ M unidad de masa que fluye a través del equipo

δ W = W = Trabajo Liberado δ M unidad de masa que fluye a través del equipo

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Dado que las toberas son diseñadas para aumenta la velocidad del fluido ( a menudo, a un valor muy alto), no podemos despreciar el termino :2

Sin embargo, el término:

Es pequeño aun, excepto en el caso de toberas verticales extremadamente largas, y usualmente se desprecia el termino Q por las mismas razones que en los dispositivos de estrangulación. Normalmente no se produce trabajo en el eje, de modo que:

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∆ ( H + u2 + gZ ) + Q - W = 0

2gc gc

∆ ( H + u2 + gZ ) + Q - W = 0

2gc gc

u2

2gc

gZ

gc

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Y por consiguiente, el balance energético se reduce a :

O

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W = 0

∆H + ∆ u2 = 0

2gc

∆H = - ∆ u2

2gc

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CONCLUSIONES

El equipo al que nos referimos nos da a conocer los debidos conocimientos que debemos tener sobre sus aplicaciones , como también para q sirve una tobera.

Una tobera se dice que sirve como un dispositivo que convierte la energía potencial de un fluido (en forma térmica y de presión) en energía cinética.

En general, se debe de hacer notar, que el uso de las toberas es prácticamente exclusivo para el uso en líquidos, no obstante, en ocasiones se utilizan para gases, pero utilizando un líquido para medir la diferencia de presión.

 

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OBJETIVOS

A partir de este contenido el alumno comprenderá las funciones de las válvulas.

Podremos ampliar los conocimientos que tengamos sobre lo que son las válvulas.

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DISPOSITIVOS DE ESTRANGULACION:

VALVULAS

DISPOSITIVOS DE ESTRANGULACION:

VALVULAS

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MARCO TEORICO

DEFINICION

Es un aparato destinado a reducir irreversiblemente la presión de un fluido en movimiento sin obtener trabajo ``en el eje´´ o útil. La válvula que reduce la presión del agua en un grifo o llave doméstica, desde la presión de la cañería principal hasta la presión atmosférica, es un buen ejemplo de un dispositivo de estrangulación.

Es un accesorio que se utiliza para regular y controlar el fluido de una tubería. Este proceso puede ser desde cero (válvula totalmente cerrada), hasta de flujo (válvula totalmente abierta), y pasa por todas las posiciones intermedias, entre estos dos extremos.

.

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TIPOSLas válvulas pueden ser de varios tipos según sea el diseño del cuerpo y el movimiento del obturador. Las válvulas de movimiento lineal en las que el obturador se mueve en la dirección de su propio eje se clasifican como se especifica a continuación:

I. VÁLVULA DE GLOBO (O DE ASIENTO)

Válvula que sirve para regular y por tanto para la función de todo o nada. El elemento de cierre asienta sobre una sección circular. A medida que el elemento de cierre se aproxima al asiento, sección de paso se reduce y por tanto aumenta la pérdida de carga disminuyendo el caudal.

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La válvula de asiento (también llamada "de globo" o "de coliza") es una válvula que consiste en un agujero, generalmente redondo u oval, y un tapón cónico, por lo general en forma de disco, colocado en el extremo de una varilla, también llamado "vástago de la válvula". El vástago guía a la válvula a través de una guía de la válvula. Sirve tanto para regular el paso de un elemento como para la función de todo o nada.

El elemento de cierre asienta sobre una sección circular. A medida que el elemento de cierre se aproxima al asiento, la sección de paso se reduce y por tanto aumenta la pérdida de carga disminuyendo el caudal. En algunas aplicaciones, la diferencia de presión ayuda a cerrar la válvula, y en otra ayuda a abrirla.

Las válvulas Presta y Schrader usada en las ruedas infladas con aire, son un clásico ejemplo de válvula de asiento. Usualmente no tienen resortes, y la válvula se mantiene cerrada por la presión del aire dentro de la rueda, y se abre al introducirlo a presión para inflarla.

APLICACIONES

Las válvulas de asiento son usadas en muchos procesos industriales, desde controlar el flujo de combustible en cohetes hasta para controlar el paso de leche.

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´La industria de los semiconductores a menudo usa válvulas de asiento ultra-limpias como válvulas de aislamiento.

Algunas de las aplicaciones que las utilizan:

Equipos para lavaderos de autos Equioamientos para lavanderias

Control de aire y líquidos en procesos industriales

Tratamiento de aguas y residuos

Compresores de aire

Secadoras de aire industriales

Procesamiento de papel y pulpa

Equipos para alto caudal de aire, agua u otros líquidos para enfriamiento y porcesamiento

Industria textil, para equipos de blanqueo, teñido y secado

Equipos de pruebas que requieren actuación rápida

Equipamientos de minería y construcción (supresión de polvo)

Refrigeración en autobuses, barcos, equipos de construcción y otros equipos y maquinaria para autopistas y carreteras

Regulación del líquido refrigerante en máquinas herramientas

Control del intercambiador de calor en ventiladores y refrigeración

Control del agua refirgerante en máquinas de moldeo por inyección

Los usos específicos incluyen:

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Las válvulas de asiento de tres vías tienen aplicaciones adicionales:

o procesos que requieren "ciclos de lavado" - ciclos donde un líquido fresco es bombeado y luego vaciado y vuelto a llenar con líquido fresco

Aplicaciones de presurización/descarga

Válvulas operadas por solenoides DIN, equipadas con solenoides seguros para trabajar en ambientes peligrosos

Válvulas de asiento de acero inoxidable son diseñadas para aplicaciones bajo presión con líquidos ultra limpios y altamente corrosivos, inluyendo:

o Industrias lácteas o Llenado, envasado y despacho de alimentos y

bebidas

o Procesado y despacho de productos químicos

o Cervecerías y destilerías: agua, pasteurización, soluciones de glicol para la refrigeración, procesos de desgasificación, mezcla, carbonatación, etc

o Producción de fertilizantes

o Producción farmaceutica y de comséticos

o equipos de lavado de botellas y embotellado

II. VÁLVULA DE RETENCIÓN

TERMODINAMICA I ING. ROSALIO CUSI PALOMINO

UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´La función esencial de una válvula de retención es impedir el paso del fluido en una dirección determinada, y no retorno (retén). Mientras el sentido del fluido es el correcto, la válvula de retención se mantiene abierta, cuando el fluido pierde velocidad o presión, la válvula de retención tiende a cerrarse, evitando así el retroceso del fluido. La diferencia de presiones entre la entrada y la salida hace que la válvula esté abierta o cerrada.

También se denomina anti-retorno.

Las válvulas antirretorno, también llamadas válvulas de retención, válvulas uniflujo o válvulas "check", tienen por objetivo cerrar por completo el paso del fluido en circulación -bien sea gaseoso o líquido- en un sentido y dejarlo libre en el contrario. Tiene la ventaja de un recorrido mínimo del disco o obturador a la posición de apertura total.

Se utilizan cuando se pretende mantener a presión una tubería en servicio y poner en descarga la alimentación. El flujo del fluido que se dirige desde el orificio de entrada hacia el de utilización tiene el paso libre, mientras que en el sentido opuesto se encuentra bloqueado. También se las suele llamar válvulas unidireccionales.

Las válvulas antirretorno son ampliamente utilizadas en tuberías conectadas a sistemas de bombeo para evitar golpes de ariete, principalmente en la línea de descarga de la bomba

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III.

VÁLVULA DE COMPUERTA

La apertura y cierre se produce mediante el movimiento vertical de una pieza interior en forma de cuña que encaja en

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Valvula antirretorno en hastelloy

Valvula antirretorno tipo wafer en acero inoxidable

Valvula antirretorno en inconel

El interior de una válvula antirretorno de clapeta oscilante en inconel

Válvula antirretorno en inconel

Interior de una válvula antirretorno tipo wafer en hastelloy

Válvula antirretorno de clapeta

Obturador de una válvula antirretorno

Válvula antirretorno

Pernos para valvulas Muelles de

inconel para válvulas antiretorno

Esquema de válvula antirretorno.

UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´el cuerpo. Esta cuña interior puede estar recubierta de goma o de metal especial, por lo que la estanqueidad es muy buena.

Es una válvula que abre mediante el levantamiento de una compuerta o cuchilla (la cuál puede ser redonda o rectangular) y así permitir el paso del fluido.

Lo que distingue a una válvula de compuerta es el sello, el cuál se hace mediante el asiento del disco en dos áreas distribuidas en los contornos de ambas caras del disco. Las caras del disco pueden ser paralelas o en forma de cuña. Las válvulas de compuerta no son empleadas para regulación.

Ventajas

Alta capacidad. Cierre hermético.

Bajo costo .

Diseño y funcionamiento sencillos.

Poca resistencia a la circulación.

Desventajas

Control deficiente de la circulación. Se requiere mucha fuerza para accionarla.

Produce cavitación con baja caída de presión.

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Debe estar cubierta o cerrada por completo.

La posición para estrangulación producirá erosión del asiento y del disco.1

Válvula de compuerta en sistema de agua caliente para uso doméstico.

Valvula de compuerta en acero inoxidable

Valvula de compuerta en inconel

Valvula de compuerta criogénica en 254 SMO

Válvula de compuerta criogénica en operación

Pernos para valvulasVálvula de compuerta con corrosión.

IV. Válvula de Bola

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La apertura y cierre se produce por el giro de una esfera que tiene un agujero transversal.

Al girar la maneta, también gira un eje, el cual está acoplado a una esfera, unas juntas de PTFE (teflón) garantizan la estanqueidad.

Una válvula de bola, conocida también como de "esfera", es un mecanismo que sirve para regular el flujo de un fluido canalizado y se caracteriza porque el mecanismo regulador situado en el interior tiene forma de esfera perforada.

Se abre mediante el giro del eje unido a la esfera o bola perforada, de tal forma que permite el paso del fluido cuando está alineada la perforación con la entrada y la salida de la válvula. Cuando la válvula está cerrada, el agujero estará perpendicular a la entrada y a la salida. La posición de la maneta de actuación indica el estado de la válvula (abierta o cerrada).

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´Este tipo de válvulas no ofrecen una regulación tan precisa como la de una válvula de globo al ser son de ¼ de vuelta. Su ventaja es que la bola perforada permite la circulación directa en la posición abierta y corta el paso cuando se gira la bola 90° y cierra el conducto.1

Las válvulas de bola manuales pueden ser cerradas rápidamente, lo que puede producir un golpe de ariete. Por ello y para evitar la acción humana pueden estar equipadas con un actuador ya sea neumático, hidráulico o motorizado.

Atendiendo al número de conexiones que posee la válvula, puede ser de dos o tres vías.

Las válvulas con cuerpo de una sola pieza son siempre de pequeña dimensión y paso reducido. Este tipo de construcción hace que la válvula tenga un precio reducido.

Las válvulas con cuerpo de dos piezas suelen ser de paso estándar. Este tipo de construcción permite su reparación.

Las válvulas de tres piezas permiten desmontar fácilmente la bola, el asiento o el vástago ya que están situados en la pieza central. Esto facilita la limpieza de sedimentos y remplazo de partes deterioradas sin tener que desmontar los elementos que conectan con la válvula.

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Valvula de bola en hastelloy

Valvula de bola en duplex

Válvula de bola en acero inoxidable

Valvulas de bola en duplex

Válvula de bola en super duplex

Bolas para válvulas de bola

Pernos para valvulas

Bola para una válvula de bola en titanio

Esquema de válvulas de tres vías en T y en L.

V. Válvula de Seguridad o de Alivio de Presión

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Las válvulas de alivio de presión, también llamadas válvulas de seguridad o válvulas de alivio, están diseñadas para liberar fluido cuando la presión interna supera el umbral establecido. Su misión es evitar una explosión, el fallo de un equipo o tubería por un exceso de presión. Existen también las válvulas de alivio que liberan el fluido cuando la temperatura supera un límite establecido. Estas válvulas son llamadas válvulas de alivio de presión y temperatura.

Usos típicos

Las válvulas de alivio se pueden encontrar a nivel industrial, comercial y doméstico. En general en cualquier lugar donde circule o se mantenga un fluido que este sometido a cambios

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´de presión y/o temperatura se puede observar este tipo de válvulas.

Entre los ejemplos más comunes y a la vista de todos nosotros están los calentadores de agua. Las válvulas de alivio instalados en los calentadores o en la línea del calentador están diseñadas para abrirse y liberar la presión en caso de que la presión supere los 120-150 PSI (8-10 bar) para evitar una explosión en caso de fallo del termostato.

En la industria también sobran los ejemplos como los compresores de aire o estaciones de reducción de presión para suministro de gas natural.

Otros usos habituales de estas válvulas son el alivio de presión en un bloqueo en el sistema de impulsión de una bomba, o para aliviar el aumento de presión debido a una expansión térmica de un fluido confinado en un sistema cerrado.

A nivel industrial no todas las válvulas liberan el fluido al exterior, en el caso de gases o líquidos peligrosos la liberación se hace hacia contenedores especiales.

Las válvulas de alivio de presión también son utilizadas para controlar procesos, en estos casos las válvulas actúan enviando los fluidos a determinados lugares dependiendo de presión del sistema.

Tipos

Mecánicos

El mecanismo de alivio consiste en un tapón que mantiene cerrado el escape. Un resorte conserva este tapón en posición evitando que el fluido se escape del contenedor o tubería. Cuando la presión interna del fluido supera la presión del resorte el tapón cede y el fluido es expulsado a través del escape.

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´ Una vez que la presión interna disminuye el tapón regresa a su posición original. El umbral de presión que determina el punto de liberación del fluido se ajusta aumentando o reduciendo la presión que el resorte ejerce sobre el tapón con un tornillo que lo atraviesa por su centro.

Las válvulas de alivio de presión y temperatura tienen un segundo mecanismo para liberar la presión que es activado cuando se alcanza determinada temperatura. Estás válvulas se abrirán cuando ocurra uno de estos dos eventos: presión por arriba del umbral o temperatura por arriba del umbral, lo que ocurra primero.

Eléctricos

Las válvulas eléctricas de alivio cuentan con los dos módulos, un presostato y una electroválvula. El presostato se puede ajustar para que dispare la electroválvula a la presión deseada.

Electrónicos

Los sistemas más avanzados en lugar de un presostato tienen un transductor de presión que envía una señal a un cuarto de control. Aquí un operador de manera manual o programando una computadora decide a que presión se abra o cierre la electroválvula.

Esquema de sus componentes

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Componentes de una válvula

Cuerpo: Es la parte a través de la cuál transcurre el fluido.

Obturador: Es el elemento que hace que la sección de paso varíe, regulando el caudal y por tanto la pérdida de presión.

Accionamiento: Es la parte de la válvula que hace de motor para que el obturador se sitúe en una posición concreta. Puede ser motorizado, mecánico, neumático, manual o electromagnético.

Cierre: Une el cuerpo con el accionamiento. Hace que la cavidad del cuerpo y del obturador (donde hay fluido) sea estanco y no fugue.

Vástago: Es el eje que transmite la fuerza del accionamiento al obturador para que este último se posicione.

Características de válvulas

Materiales

Dependiendo del material utilizado en el cuerpo de la válvula, se denominan como válvulas de:

acero al carbono acero inoxidable

acero aleado

Presión Nominal

Para estandarizar las válvulas se estipula diferentes presiones máximas a las que pueden trabajar. Se denomina con la sigla

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UNIVERSIDAD NACIONAL `` SAN LUIS GONZAGA DE ICA´´PN -valor establecido en bar- y se encuentra, generalmente, impreso en el cuerpo de la válvula.

EVALUACION MATEMATICALos Dispositivos de Estrangulación también pertenecen a un sistema abierto; se dice que todo sistema abierto trabaja en régimen permanente.

Régimen permanente es definido como un proceso en el cual las propiedades del sistema ( ya sean propiedades de punto de promediadas ) no cambian con el tiempo. Es decir si examinamos ya sea un punto particular del sistema o el sistema como un todo, su propiedades no variaran con el tiempo. Esto de ninguna manera implica que las propiedades en todos los puntos debe ser idénticas, sino solo que las propiedades de cada punto son invariantes en el tiempo. Dado que la masa de un sistema es una propiedad del sistema, el régimen permanente implica que:

Podemos dividir la Ec. Por `` δ M ´´ para obtener:

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( H + u2 + gZ )ent δ M - ( H + u2 + gZ )sal δ M + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

( H + u2 + gZ )ent δ M - ( H + u2 + gZ )sal δ M + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

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Donde:

Así la ecuación se reduce a:

Tal como ocurre en general con los compresores y expansores, la mayoría de los dispositivos de estrangulación producen un cambio despreciable en:

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( H + u2 + gZ )ent - ( H + u2 + gZ )sal + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

δ M δ M

( H + u2 + gZ )ent - ( H + u2 + gZ )sal + δ Q - δ W = 0

2gc gc 2gc gc

δ M δ M

δ Q = Q = Calor Absorbido δ M unidad de masa que fluye a través del equipo

δ W = W = Trabajo Liberado δ M unidad de masa que fluye a través del equipo

∆ ( H + u2 + gZ ) + Q - W = 0

2gc gc

∆ ( H + u2 + gZ ) + Q - W = 0

2gc gc

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^

Por consiguiente, el balance energético queda reducido a:

Sin embargo dado que los dispositivos de estrangulación no entregan trabajo al ambiente:

La Ecuación se reduce a:

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∆ ( gZ )

gc

∆ ( u2 )

2gc

- ∆ H + Q - W = 0 - ∆ H + Q - W = 0

W = 0

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CONCLUSIONES

Podemos comprender sobre lo averiguado que las válvulas sirven para disminuir la presión de un fluido en movimiento sin obtener trabajo ``en el eje´´ o útil.

La función de una válvula es la apertura ,cierre y regulación de flujo, pudiendo ser este, liquido, gas, vapor o líquidos con sólidos en suspensión.

El buen funcionamiento de un sistema de cañerías depende en gran parte de la elección adecuada y de la ubicación de las válvulas que controlan y regulan la circulación de los fluidos en la instalación.

Con ellas podremos controlar los caudales de las distintas corrientes implicadas en el proceso, además de las condiciones internas de presión de depósitos y recipientes

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∆H = - Q

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