MARCO TEORICO

Caldera

Caldera (máquina), dispositivo utilizado para calentar agua o generar vapor a una presión superior a la atmosférica. Las calderas se componen de un compartimiento donde se consume el combustible y otro donde el agua se convierte en vapor.

La primera mención de la idea de utilizar vapor para obtener energía aparece en La neumática, del inventor y matemático griego Herón de Alejandría, en el siglo I. Allí describió su eolípilo, una turbina de vapor que consistía en una caldera conectada mediante dos tubos a los polos de una esfera hueca que podía girar libremente. La esfera estaba equipada con dos boquillas biseladas por donde salía vapor que producía la rotación de la esfera. Se han encontrado otras referencias en trabajos de la edad media y del renacimiento, pero no parece que se hayan construido dispositivos prácticos hasta que el arquitecto e inventor italiano Giovanni Branca diseñó una caldera que expulsaba vapor, el cual empujaba unas paletas que sobresalían de una rueda, haciéndola girar.

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

El inventor escocés James Watt mejoró la máquina de Newcomen e introdujo el primer avance significativo de la caldera, el recipiente esférico o cilíndrico que se calentaba por abajo con una hoguera. La caldera de Watt, construida en 1785, consistía en un armazón horizontal cubierto de ladrillo con conductos para dirigir los gases calientes de la combustión sobre la caldera. Watt, uno de los primeros ingenieros que aprovechó las propiedades termodinámicas del vapor de agua, utilizó la válvula de seguridad de palanca, manómetros para medir la presión y grifos para controlar el flujo de agua y vapor en sus calderas.

Calderas de tubos de humo o semitubulares

Las máquinas de Savery, Watt y Newcomen trabajaban a presiones sólo un poco superiores a la atmosférica. En 1800 el inventor estadounidense Oliver Evans construyó una máquina de vapor a alta presión utilizando una precursora de la caldera semitubular. La caldera de Evans consistía en dos armazones cilíndricos, colocados uno dentro del otro, con agua entre ambos. La parrilla y los

conductos estaban alojados en el cilindro interior para permitir un rápido aumento de la presión del vapor. De forma simultánea pero independiente el ingeniero británico Richard Trevithick desarrolló una caldera similar que se utilizó en Cornualles. La primera mejora sustancial de las calderas de Evans y Trevithick fue la caldera Lancashire, patentada en 1845 por el ingeniero británico William Fairbairn, en la cual los gases calientes de la combustión se conducen a través de tubos insertados en el contenedor de agua, lo que aumenta la superficie por la que el calor puede ser transmitido. Las calderas semitubulares tenían limitaciones de capacidad y presión, además de reventar en ocasiones.

Calderas tubulares

La presión en las calderas, sin embargo, permaneció limitada hasta el primer diseño viable de la caldera tubular, patentada en 1867 por los inventores estadounidenses George Herman Babcock y Stephen Wilcox. En la caldera tubular el agua recorría unos tubos calentados por gases de la combustión y el vapor se acumulaba en un tambor. Esta disposición aprovechaba el calor de convección de los gases y el calor radiante del fuego y las paredes de la caldera. La amplia aplicación de la caldera tubular se hizo posible en el siglo XX con adelantos como las aleaciones de acero de alta temperatura y las técnicas modernas de soldadura, que convirtieron la caldera tubular en el modelo de las grandes calderas.

Las modernas calderas tubulares pueden operar a presiones de 340 atm y generar más de 4.000 toneladas de vapor por hora. Dado que la temperatura de combustión puede superar los 1.650 °C, el flujo de agua se controla mediante circulación simple o forzada. Con la utilización de los llamados supercalentadores, las calderas modernas pueden alcanzar un 90% de rendimiento del combustible. Los precalentadores calientan el aire que entra con los gases de la combustión que se descargan al conjunto; los precalentadores de agua utilizan los gases de los conductos para calentar el agua antes de introducirla en la caldera. El control de las corrientes y el tratamiento químico del agua para evitar la deposición de óxidos y la corrosión también contribuyen a la eficiencia del funcionamiento.

Calorimetría

Ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor

específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.

Manómetros

La mayoría de los medidores de presión, o manómetros, miden la diferencia entre la presión de un fluido y la presión atmosférica local. Para pequeñas diferencias de presión se emplea un manómetro que consiste en un tubo en forma de U con un extremo conectado al recipiente que contiene el fluido y el otro extremo abierto a la atmósfera. El tubo contiene un líquido, como agua, aceite o mercurio, y la diferencia entre los niveles del líquido en ambas ramas indica la diferencia entre la presión del recipiente y la presión atmosférica local. Para diferencias de presión mayores se utiliza el manómetro de Bourdon, llamado así en honor al inventor francés Eugène Bourdon. Este manómetro está formado por un tubo hueco de sección ovalada curvado en forma de gancho. Los manómetros empleados para registrar fluctuaciones rápidas de presión suelen utilizar censores piezoeléctricos o electrostáticos que proporcionan una respuesta instantánea.

Como la mayoría de los manómetros miden la diferencia entre la presión del fluido y la presión atmosférica local, hay que sumar ésta última al valor indicado por el manómetro para hallar la presión absoluta. Una lectura negativa del manómetro corresponde a un vacío parcial.

Las presiones bajas en un gas (hasta unos 10-6 mm de mercurio de presión absoluta) pueden medirse con el llamado dispositivo de McLeod, que toma un volumen conocido del gas cuya presión se desea medir, lo comprime a temperatura constante hasta un volumen mucho menor y mide su presión directamente con un manómetro. La presión desconocida puede calcularse a partir de la ley de Boyle-Mariotte (véase Gas). Para presiones aún más bajas se emplean distintos métodos basados en la radiación, la ionización o los efectos moleculares (véase Tecnología de vacío).

Condensación

En física, proceso en el que la materia pasa a una forma más densa, como ocurre en la licuefacción del vapor. La condensación es el resultado de la reducción de temperatura causada por la eliminación del calor latente de evaporación; a veces se denomina condensado al líquido resultante del proceso.

La eliminación de calor reduce el volumen del vapor y hace que disminuyan la velocidad de sus moléculas y la distancia entre ellas. Según la teoría cinética

del comportamiento de la materia, la pérdida de energía lleva a la transformación del gas en líquido. La condensación es importante en el proceso de destilación y en el funcionamiento de las máquinas de vapor, donde el vapor de agua utilizado se vuelve a convertir en agua en un aparato llamado condensador.

Válvula

Dispositivo mecánico empleado para controlar el flujo de un gas o un líquido, o en el caso de una válvula de retención para hacer que el flujo sólo se produzca en un sentido. El tamaño de estos mecanismos va desde las pequeñas válvulas de un neumático de coche o de bicicleta hasta las válvulas empleadas en esclusas y presas, que pueden tener diámetros superiores a los 5 metros. Las válvulas de baja presión suelen ser de latón, hierro fundido o plástico, mientras que las válvulas de alta presión son de acero fundido o forjado. En el caso de que el fluido sea corrosivo puede ser necesario emplear aleaciones, como acero inoxidable. Las válvulas pueden accionarse de forma manual, a través de un servomecanismo o mediante el flujo del propio fluido controlado.

Presión de vapor

Presión que ejerce el vapor en equilibrio con el líquido o el sólido que lo origina a determinada temperatura.

Todos los sólidos y líquidos producen vapores consistentes en átomos o moléculas que se han evaporado de sus formas condensadas. Si la sustancia, sólida o líquida, ocupa una parte de un recipiente cerrado, las moléculas que escapan no se pueden difundir ilimitadamente sino que se acumulan en el espacio libre por encima de la superficie del sólido o el líquido, y se establece un equilibrio dinámico entre los átomos y las moléculas que escapan del líquido o sólido y las que vuelven a él. La presión correspondiente a este equilibrio es la presión de vapor y depende sólo dela naturaleza del líquido o el sólido y de la temperatura, pero no depende del volumen del vapor; por tanto, los vapores saturados no cumplen la ley de Boyle-Mariotte.

DATOS OBTENIDOS

CALDEA CALORIMETRO DE SEPARACIÓN

VÁLVULA DE ESTRANGULAMIENTO

CONDENSADOR

P1 (bar)

T1 (°C)

P2 (bar)

T2 (°C)

H2O (ml)

P4 (mmhg)

T4 (°C)

T5 (°C)

V (ml)

T (min)

1.8 114 1.5 128 18 18 98 27.2 630 6min2.0 120 1.8 130 120 17 99 26.6 460 4min

Primera medida Segunda medida

Caldera

Liquido comprimida ( T= 114°C) Mezcla ( T = 120°C )f = 0.0010578m3/Kg f=0.001061m3/Kg g=0.8857m3/Kghf = 490.532KJ/Kg hf=504.70KJ/Kg hg=2706.7KJ/Kg

Calorímetro de separación

Vapor recalentado ( T=128°C) Vapor recalentado ( T=130°C)g=1.1593m3/Kg g=0.98002m3/Kghg=2700.6KJ/Kg hg=2701.82KJ/KgV=18ml V=120ml

Válvula de estrangulamiento

Vapor saturado ( T=98°C) Vapor recalentado ( T=99°C)g=56.74m3/kg g=60.109m3/kghg=2538.75KJ/Kg hg=2537.04KJ/Kg

Condensador

Liquido Comprimido ( T= 27.2°C) Liquido Comprimido ( T= 26.6°C)f=0.00100344m 3/Kg f=0.00100332m3/Kghf=114.086KJ/Kg hf=111.578KJ/KgV=630ml V=460mlMl=0.6278Kg Ml=0.4584Kg

En esta parte se presenta una tabla con valores aproximados a los que deberían de haberse medidos en el banco del laboratorio, el cual podremos calcular las masas y su calidad.

CALDEA CALORIMETRO DE SEPARACIÓN

VÁLVULA DE ESTRANGULAMIENTO

CONDENSADOR

P1 (bar)

T1 (°C)

P2 (bar)

T2 (°C)

H2O (ml)

P4 (mmhg)

T4 (°C)

T5 (°C)

V (ml)

T (min)

2.0 130 2.0 120 120 17 99 26.6 460 4min

Caldera

Vapor recalentado ( T= 130°C)hg= 2706.7KJ/Kg

Calorímetro de separación

Mezcla ( T= 120°C)f= 0.001061m3/kgg=0.8857m3/kghf=504.70KJ/Kghg=2706.7KJ/Kghfg=2201.9KJ/Kghx=2537.09KJ/KgV= 120mlX= (2537.09 – 504.70)KJ/Kg/(2201.9KJ/Kg)X=0.923 =92.3%hx1= 504.70+0.923*(2201.09)hx1=2536.34KJ/KgQ = m(h2 – h1) = m(2536.34 – 2706.7)KJ/Kgq = -170.36KJ/Kg

hx1 = Entalpía especifica en el calorímetro de separaciónhx= Entalpía del vapor saturado en la válvula que es la misma del calorímetro

Válvula de estrangulación

Vapor saturado ( T= 99°C)hg= 2537.04KJ/Kg

Condensador

Liquido comprimido ( T = 26.6°C)hf=111.578KJ/KgQ=m(h4 – h3)KJ/Kg Q=m(111.578 – 2537.04)KJ/Kg q= - 2425.512KJ/Kg

Las formulas utilizadas en los cálculos del laboratorio fueron las siguientes:

X = (hx – hf)/hfg hx= hf + Xhfg Q – W = mshs - mehe

X = Calidadhf = entalpía del liquido saturado ms = masa que salehg = entalpía de l vapor saturado me = masa entrantehx = entalpía en un punto hs = entalpía que saleW = trabajo he = entalpía entranteQ = Calor

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

Antes de analizar los resultados debemos saber el procedimiento del banco de vapor. El agua de la caldera debe de estar en vapor recalentado y pasar en el calorímetro de separación en este debe de haber mezcla y muy importante la temperatura debe de ser igual o menor a la medida en la caldera después pasa a la válvula de estrangulamiento y en el condensador en donde pasa al estado de liquido comprimido.

En la primera medición podemos analizar que los resultados no son los correctos ya que los cálculos teóricos no coinciden con los medidos en el laboratorio porque en el calorímetro de separación debe de dar como resultado una mezcla y tenemos vapor recalentado, también ocurre en la caldera porque da liquido comprimido y debe de ser de vapor recalentado. En la válvula de estrangulamiento como en el condensador dan en los estados que debe de ser con un margen de error pequeño.

En la segunda medición podemos observar que están erróneos los resultados ya que él la caldera debe de dar vapor recalentado y no es así porque en los cálculos teóricos nos da mezcla siendo un resultado de error, En el calorímetro de separación esta igualmente errado ya nos da igual que en la primera medición de vapor recalentado y es de mezcla en los otro dio parecido al de la primera medición.

CONCLUSIÓN

En los resultados obtenidos en el laboratorio podemos notar principalmente que se tienen errores de mediciones el cual condujo a unos cálculos incorrectos por esta razón es que los datos medidos no coinciden cuando se realizan los cálculos teóricos ya que el funcionamiento de unos de los instrumentos esta dañado

En esta practica surgieron ciertos problemas en las mediciones dando como resultado mediciones erróneas de donde tuvimos que realizar teóricamente los resultados para que se acerquen a las mediciones correctas.

En esta practica se pudo observar la deficiencias de los instrumentos a la hora de las mediciones trayendo resultados muy erróneos también se puede decir que el instrumento dañado debe de estar entre la caldera y el calorímetro de separación ya que en ellos las temperaturas eran las que tenían mayor margen de error porque como se sabe debe de perder temperatura por el intercambio de calor que ocurre entre las tuberías y al medirla la temperatura era mayor dando así los resultados errados.

INTRODUCCIÓN

En esta practica tiene el objetivo de conocer o estudiar el Ciclo de Rankine, el cual es uno de los ciclos mas utilizados en la actualidad en la industria, en él aprenderemos a calcular la cantidad de vapor y de liquido en cada lugar del banco de vapor empezando con la caldera de la cual sale todo el procedimiento luego va hacia el calorímetro de separación pasando por la válvula y terminando en el condensador.

En esta practica después de conocer el procedimiento de la caldera de vapor y conocer el estado se va a disponer a calcular: La calidad, El calor, La masa de vapor y de liquido en cada lugar del banco de vapor.