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Unidad 2: Equipos Termo mecánicos

2.1: Generalidades y clasificación de calderas.

Una caldera o generador de vapor es un equipo que consta de diferentes elementos destinados a la producción de vapor de agua o de cualquier otra clase de vapor a partir de su fase líquida. Estos elementos son el hogar o cámara de combustión, la caldera, los sobrecalentadores de vapor, el economizador y el calentador de aire. En el hogar, se produce la combustión de un combustible. Las calderas se clasifican en pirotubulares y acuotubulares. Las pirotubulares son aquellas en las que los humos de la combustión circulan por el interior de los tubos y el agua, por el exterior. En general, se trata de calderas pequeñas con presiones inferiores a 20 bar. Los gases pasan por el interior de tubos sumergidos en el interior de una masa de agua, todo ello rodeado por un cuerpo o carcasa exterior. Los gases al atravesar los tubos ceden su calor sensible al agua que los rodea produciéndose la vaporización en las proximidades de los tubos. Los gases puede recorrer varias veces la longitud de la caldera. El diseño está limitado por la presión del vapor, ya que las presiones superiores a 25 bar obligarían a usar fuertes espesores de virola. La producción de vapor alcanza como máximo 35 t/h.

Ilustración 2: Caldera pirotubular

Ilustración 1: Partes de una caldera pirotubular

Las acuotubulares son aquellas en las que el agua circula por el interior de los tubos, son las más comunes. El agua líquida entra al economizador, donde se calienta hasta una temperatura próxima a la de saturación, se introduce en el calderín y desciende por los tubos de riego hasta el colector inferior, distribuyéndose hacia los tubos vaporizadores, donde se forman las burbujas de vapor que a su vez se separan en el calderín. El vapor saturado puede calentarse por encima de su temperatura de saturación en el sobrecalentador. La circulación del agua por los tubos de bajada y de subida puede ser por convección natural, debido a la diferencia de densidades, o forzada mediante una bomba.

Ilustración 4: Caldera acuotubular

Ilustración 3: Partes de una caldera acuotubular

2.2: Sistemas de alimentación y quemado de combustible. 

Evitar una excesiva humedad en el producto a tratar secándolo antes de su introducción al horno mediante gases residuales u otras energías semidegradadas.



Estudiar el almacenamiento de las materias primas, evitando, para las que capten fácilmente humedad, tiempos prolongados a la intemperie.



Mejorar el proceso químico y el intercambio térmico mediante la utilización de materias primas con granulometrías adecuadas.



Utilizar materiales semielaborados procedentes de procesos en los que se obtienen con una eficacia térmica mayor, que la que se consigue en el proceso principal.



Utilizar fundentes con el fin de rebajar la temperatura de operación.



Optimizar la combustión utilizando equipos de análisis de gases y regulándola automáticamente.



Utilización de combustibles precalentados.



Trabajar a una temperatura de llama tan próxima a la teórica como sea posible.

Se debe estudiar la curva de secado del producto, para garantizar el futuro equilibrio entre la humedad del producto secado y la del ambiente donde será depositado.

2.3: Producción y características de vapor. En su forma más simple (convencionales), un sistema de generación de vapor consiste de dos partes esenciales: 1. la cámara de destilación o evaporador, donde el agua es calentada y convertida en vapor. 2. el condensador, en el cual el vapor es convertido en líquido. El sistema de vapor utilizado en los campos petrolíferos, están formados principalmente por calentadores y calderas. 

Calentadores. Con sus quemadores y un sistema de aire de combustión, sistema de tiro o de presión para extraer del horno el gas de chimenea, sopladores de hollín, y sistemas de aire comprimido que sellan las aberturas para impedir que escape el gas de la chimenea. Los calentadores utilizan cualquier combustible o combinación de combustible, como gas de refinería, gas natural, fuel y carbón en polvo.



Calderas: las calderas son dispositivos utilizados para calentar el agua o generar vapor a una presión superior a la atmosférica. Las calderas se componen de un comportamiento donde se consume el combustible y otro donde el agua se convierte en vapor.

Son instalaciones industriales que aplicando el calor de un combustible sólido, liquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria. La Mayoría de las Calderas o Generadores de Vapor tienen muchas cosas en común. Normalmente en el fondo esta la cámara de combustión o el horno en donde es más económico introducir el combustible a través del quemador en forma de flama. El quemador es controlado automáticamente para pasar solamente el combustible necesario para mantener la presión en el vapor deseada. La flama o el calor es dirigido o distribuido a las superficies de calentamiento, que normalmente son tubos, fluxes o serpentines.

2.4: Turbinas a vapor, clasificación y características de diseño. Primeras turbinas de vapor: Históricamente, las primera turbina de vapor de la que se tiene constancia fue construida por Herón de Alejandría alrededor del año 175 A. C., la cual consistía en un esfera metálica con dos toberas en sus polos y orientadas en el mismo sentido por donde escapaba el vapor. La esfera giraba diametralmente, apoyada sobre la caldera por los conductos de entrada del vapor.

Hasta 1629 no se tiene constancia de un nuevo diseño independiente de una turbina de vapor, Giovanni Brance utilizo un chorro de vapor para impulsar el giro de una rueda de molino de agua, aunque no logro aplicarlo a ningún uso industrial útil.

La primera aplicación industrial para una turbina de vapor fue patentada en Suecia por De Laval en 1878 y consistía en una maquina centrifuga desnatadora que revolucionó la producción de leche, impulsada por vapor. El último impulso para la utilización de las turbinas de vapor con fines industriales y comerciales lo dio Charles Algernon Parsons en 1884, con el diseño y construcción de una turbina de vapor de alta velocidad que podía a alcanzar hasta 18.000 rpm.

A principios del siglo veinte la mayoría de barcos modernos eran ya equipados con este tipo de motor.

Tipos de turbinas de vapor:

La clasificación de las turbinas de vapor puede hacerse según la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor (reacción o acción), según el número de etapas (multietapa o monoetapa), según la dirección del flujo de vapor (axiales o radiales), si existe o no extracción de vapor antes de llegar al escape y por último por la presión de salida del vapor (contrapresión, escape libre o condensación).

-Turbina de vapor de reacción : En la turbina de reaccion la energia mecanica se obtiene de la aceleracion del vapor en expansion. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas moviles y las otras fijas. Las palas fijas estan colocadas de forma que cada par actua como una boquilla a traves de la cual pasa el vapor mientras se expande, llegando a las palas de las turbinas de reaccion, que se montan en un tambor que actua como eje de la turbina. En la turbina de reaccion se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran caida de presion en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida d ela primera etapa para que entre en un segundo rodete.

Se denomina grado de reacción a la fracción de la expansión producida en la corona movil respecto ala total, un grado de reacción 1 índica que la turbina es de reaación pura, mientras que para el valor cero será una turbina de vapor de acción.

-Turbina de vapor de acción: Una turbina de vapor de acción con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de: -Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misión es transformar la energía térmica del vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente (reacción), en energía cinética. -Una corona móvil, fija sobre un eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por objeto transformar en energía mecánica de rotación, la energía cinética puesta a su disposición. Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a traves de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energia cinetica del vapor en expansion, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que esta unida.Las turbinas de accion habituales tienen varias etapas, en las que la presion va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas.

-Turbina monoetapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de mas simple construcción son las mas robustas y seguras, además de acarrear menores costes de instalación y mantenimiento que las multietapa.

-Turbina multietapa: El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes próxima al valor optimo con relación a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presión de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, seria necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta, que no sería viable mecánicamente por las dimensiones que debería tener el reductor (caja de engranajes que ajustaría la velocidad final del eje a la deseada).

Consiguen mejores rendimientos que las monoetapa, además pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presión, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de acción y las finales de reacción.

-Turbina de flujo axial: Es el método mas utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina.

-Turbina de flujo radial: El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina.

-Turbina con extracción de vapor: Se realiza en etapas de alta presión, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasiones el vapor también puede ser extraído de alguna etapa para derivarlo a otros procesos industriales.

-Turbina de contrapresión: La presión del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosférica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obteniéndose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento térmico posterior.

-Turbinas de condensación: El vapor sale auna presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un mayor aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento.

2.5: Ciclos térmicos con calderas y turbinas. Una máquina térmica es un dispositivo que trabaja de forma cíclica o de forma continua para producir trabajo mientras se le da y cede calor, aprovechando las expansiones de un gas que sufre transformaciones de presión, volumen y temperatura en el interior de dicha máquina. Veremos el funcionamiento real de algunas máquinas, y el ciclo termodinámico que sigue el gas en su interior, pero para realizar cálculos hacemos unas hipótesis:

1.

El

gas

que

evoluciona

en

el

interior

de

la

máquina

es

ideal.

2. Aunque suele entrar y salir gas de las máquinas, se analiza un volumen fijo, como si fuera siempre el mismo gas el que se calienta, se enfría, recibe o realiza trabajo. 3. Las combustiones se consideran como aportes de calor desde una fuente a temperatura elevada, y la expulsión de gases quemados con la pérdida de calor que eso

supone,

se

considera

enfriar

el

volumen

fijo.

4. Los procesos que sufre el gas son cíclicos, y el final de cada ciclo coincide con el estado inicial del gas.

De esta forma, los motores se pueden representar mediante un dibujo muy sencillo, que facilita los cálculos:

Como toda la energía que entra a la máquina debe ser igual que la suma de las energías que salen de ella, tenemos:

2.6: Sistemas de recuperación de condensado y torres de enfriamiento. Los sistemas de recuperación de condensados se pueden clasificar como Atmosféricos (venteados) y presurizados (cerrados) dependiendo si el condensado se recupera en un tanque abierto a la atmósfera o es enviado a un recipiente a presión/directamente a la caldera. En un sistema venteado de recuperación de condensados, se usa la presión a la entrada de la trampa de vapor o una bomba para llevar el condensado a un tanque colector abierto a la atmósfera, donde puede utilizarse como agua de alimentación a la caldera, pre-calentamiento u otras aplicaciones de agua caliente.

Una torre de enfriamiento es una instalación cuya función es la dispersión de calor del agua, que involucra conjuntamente los fenómenos de transferencia de calor y de masa (evaporación controlada por el contacto directo del agua con el aire). Para lograr efectos en la torre de enfriamiento es muy importante que la gota del líquido tenga un tamaño menor durante su trayectoria o caída para aumentar el área de contacto con el aire, lo cual se logra interponiendo obstáculos (el relleno), que la detienen y al mismo tiempo la rompen, facilitando el proceso de evaporación.

2.7: Sistemas y equipos de tratamiento de agua. Equipos

de

Purificación

de

Agua

El equipo AESA PURE PLUS es un sistema purificador de agua compacto construido con la más alta tecnología dando agua de alta calidad, cristalina y de excelente

Sistema

sabor.

de

5

Etapas

para

tomar

agua

baja

en

minerales.

Lámpara de Luz Ultravioleta para esterilización de agua. 99.9% de eficiencia. Produce

más

de

60

litros

al

día.

Fácil de instalar y dar mantenimiento. También se puede conectar al refrigedores con

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Excelente para casa y oficina.

de

agua

y

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Filtro Multimedia o Lecho Mixto: Son sistemas diseñados para eliminar sólidos, exceso de fierro y manganeso en el agua con equipos de filtración a base de: Gravas, Arenas, Antracita, Arena Verde, Turbidex, etc. Floculadores

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Diseñamos sistemas para eliminar el mal olor, color, sabor y exceso de cloro que pueda estar presente en el agua con equipos de filtración a base de Carbón Activado.

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de

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Equipo

de

Equipo

de

bombeo

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Equipo

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energía piscina

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Tratamiento de Aguas Negras (Aeróbico/Anaeróbico)

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