UNIDAD IOBJETIVO: AL TERMINO DE LA UNIDAD EL CADETE IDENTIFICARÁ EL CICLO BÁSICO DE VAPOR (RANKINE), FASES EN QUE SE DIVIDE Y SUS SISTEMAS AUXILIARES.

1.1. OBJETIVO: AL TERMINO DEL TEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE LAS CONSIDERACIONES IMPORTANTES DEL CICLO DE

VAPOR.

La operación de todas las máquinas que producen trabajo mecánico a partir de la energía térmica están basadas en los principios fundamentales conocidos como:

Primera Ley de TermodinámicaSegunda Ley de Termodinámica.

La Primera Ley de la Termodinámica o Ley de la Conservación de la Energía. Es como sigue: Cuando una cantidad de energía de calor desaparece, una cantidad equivalente de energía química, eléctrica, o mecánica aparece, nosotros solamente nos ocuparemos de la conversión de la energía térmica a energía mecánica. Esta ley fue resultado del trabajo hecho por Mayer, Joule, y Helmholtz.

La Segunda Ley de la Termodinámica se refiere a la proporción de energía de calor disponible la cual puede ser convertida en energía mecánica. Por ejemplo, la fracción más grande que una cantidad de energía de calor dada, puede hacerse desaparecer y después reaparecer en la forma de energía mecánica.

La declaración original de Clausius de ésta ley fue como sigue: Es imposible construir una máquina que distribuya trabajo mecánico derivado solamente del enfriamiento de una fuente de calor simple si el calor no es cedido a un depósito a una temperatura más baja.

Una reflexión en estas declaraciones establecerá que los requerimientos para producir energía mecánica a partir de energía térmica, son:

A. Primero una fuente de calor (combustible).

B. Segundo, un dispositivo o máquina para convertir una parte de la energía térmica a trabajo mecánico (turbina).

C.Tercero, un depósito (a menudo llamado “recipiente de calor”) a una temperatura más baja que la fuente, para la cual el calor pueda fluir (Condensador).

D.Cuarto, un fluido de trabajo el cual proporcione los medios de transporte de la energía térmica desde una parte del sistema a otro (agua /vapor)

E. Ésta ley nunca ha sido probada en su sentido riguroso y ha estado sujeta a duda y crítica, por mentes como Max Planck y muchos otros, pero nadie nunca ha demostrado su fracaso.

1.1.1.- OBJETIVO: AL TERMINO DEL SUBTEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE EL CICLO DE CARNOT.

© Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.Ciclo de CarnotEl ciclo ideal de Carnot fue propuesto por el físico francés Sadi Carnot, que vivió a principios del siglo XIX. Una máquina de Carnot es perfecta, es decir, convierte la máxima energía térmica posible en trabajo mecánico. Carnot demostró que la eficiencia máxima de cualquier máquina depende de la diferencia entre las temperaturas máxima y mínima alcanzadas durante un ciclo. Cuanto mayor es esa diferencia, más eficiente es la máquina. Por ejemplo, un motor de automóvil sería más eficiente si el combustible se quemara a mayor temperatura o los gases de escape salieran a menor temperatura.Microsoft ® Encarta ® Biblioteca de Consulta 2003. © 1993-2002 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.

Una consecuencia importante de estas leyes fue desarrollada por Sadi Carnot, quien demostró que ninguna máquina que produce trabajo mecánico proveniente de calor puede ser más eficiente que la máquina ideal operando bajo el ciclo de Carnot, cuya eficiencia está dada como:

Eficiencia (n)= Trabajo de salida / Calor de entrada =T1 –T2 / T1 = 1- T2 / T1

En la ecuación, T1, es la temperatura absoluta media de calor de adición al fluido de trabajo desde la fuente.

T2 es la temperatura absoluta media del calor residual desde el fluido de trabajo al recipiente.

Note; Qué ésta expresión es independiente del tipo de máquina, la clase del fluido de trabajo, y la fuente de calor (ya sea combustión química o fisión nuclear).

n entonces representa la fracción máxima de calor generado el cual puede ser convertido a trabajo en cualquier ciclo para el cual T1 y T2 han sido establecidos.

Como ejemplo, la cantidad ideal de trabajo que puede ser obtenida desde una libra de combustible en una planta de vapor cuya temperatura media de calor de adición es 625°F y la cual pierde calor en un condensador a 85°F. Cada libra de combustible contiene aproximadamente 18,000 B.T.U. de energía térmica. Se asume que toda ésta energía es transferida al fluido de trabajo. Convirtiendo la temperatura a grados absolutos (grados Rankin), y sustituyendo en la ecuación de Carnot:

T1 = 625°F + 460° =1085°R

T2 = 85°F + 460°= 545°R

Por lo tanto, la cantidad máxima de calor que puede ser extraída de cada libra de combustible y convertido a calor es 0.498 x 18,000 = 8964 B.T.U. El remanente de la energía de calor en cada libra de combustible es desalojada al mar a través de un condensador, constituyendo el mar el depósito o recipiente de baja temperatura. Debe de señalarse que esta ecuación es ideal que está intrínseca en la Segunda Ley.

En la práctica real, existen muchas pérdidas como son: Combustión incompleta de combustible; pérdida de calor en los gases de la chimenea de la caldera, radiación, pérdidas de conducción y convección, tubería, y en la turbina; fricción y otras, pérdidas de fricción en los ejes y engranajes de reducción.

1.1.2.-. OBJETIVO: AL TERMINO DEL SUBTEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE LAS CONSIDERACIONES DEL CICLO TERMODINÁMICO.

Un ciclo termodinámico, comprende una serie de eventos y procesos en los cuales el fluido de trabajo es sometido desde que el calor es añadido hasta que el trabajo es extraído y el fluido es desechado, o regresado a la fuente de calor.

Aunque muchos fluidos de trabajo han sido usados en ciclos termodinámicos, ésta explicación estará confinada a los ciclos de vapor, en los cuales el fluido es agua en sus varios estados físicos.

El ciclo más simple, o ciclo abierto, cuenta con los 4 requerimientos discutidos en el artículo 1.

A. Consiste de una caldera (fuente de calor) para liberar calor por la combustión del combustible y transferirlo al fluido de trabajo en forma de energía térmica almacenada.

B. Una máquina en la cual la energía térmica del fluido de trabajo es convertido a trabajo mecánico (turbina).

C. Un recipiente de calor a una temperatura más baja que la caldera (condensador)

Este recipiente, en un ciclo abierto, es generalmente la atmósfera. Vea la figura 1-1. Ya que la temperatura T1, puede ser incrementada hirviendo el agua bajo presión, y ya que una diferencia de presión es necesaria para transferir el fluido de trabajo desde la caldera hasta la máquina, la presión de la caldera es mantenida arriba de la atmosférica.

Para evitar que la máquina se pare cuando la caldera trabaja en seco, el fluido de trabajo debe de ser continuamente suministrado a la caldera. Para este propósito, una bomba de alimentación debe de añadirse lo cual permite la acción continua, elevando agua desde una presión baja a la presión alta necesaria para introducirla a una caldera que requiere fluido de trabajo. La energía necesaria para hacer funcionar la bomba de alimentación totaliza una fracción de la desarrollada por la máquina, de manera que la red de trabajo disponible desde el ciclo es menor que el trabajo disponible de el vapor generado en la caldera. El trabajo necesario para la bomba de alimentación es comúnmente desarrollado por una máquina aparte la cual obtiene vapor desde la misma caldera al igual que la máquina principal. Esta máquina es conocida como máquina auxiliar. Ver figura 1-2. Otras máquinas auxiliares hacen trabajar bombas de combustible, turboventiladores de tiro forzado, bombas de aceite de lubricación, etc.

En un ciclo de vapor abierto, la temperatura de descarga, T2, está limitada por el punto de ebullición del agua correspondiente a la presión atmosférica. Además el ciclo abierto desperdicia el agua, ya que el vapor de descarga va a la atmósfera. Para conservar el agua de alimentación, se emplea un condensador para condensar el vapor cuando este sale de la máquina. El calor latente es removido del vapor por medio de un sistema de agua circulante, condensando el fluido de trabajo, el cual es después regresado a la caldera. Así el calor es cedido, pero el fluido de trabajo no se pierde. La adición del condensador, y su conexión de regreso a la caldera forma el ciclo cerrado simple.

Otra ventaja mayor de un condensador es realizada al situarlo bajo un vacío, el cual es hecho fácilmente. Ya que la temperatura en la cual el vapor se condensa ( igual a la temperatura en la cual hierve el agua) disminuye considerablemente junto con la presión (ver Figura 1-3), la utilización de un condensador bajo un vacío baja T2 , esto incrementa la eficiencia de Carnot y hace posible extraer más trabajo del vapor. La figura 1-4 es un diagrama esquemático de un ciclo cerrado simple.

1.1.3.- OBJETIVO: AL TERMINO DEL SUBTEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE EL EQUIPO AUXILIAR EN CICLOS DE ENERGÍA.

Además de la bomba de alimentación y el condensador, se requieren el uso de otras unidades en el ciclo tales como: E/bombas de condensado.A. E/bombas booster.B. Tanque DESAREADOR.C. Economizador.El logro de rendimientos térmicos más grandes al incrementar T1 está limitado por la temperatura a la cual los materiales en la planta pueden estar sujetos y retener la fuerza adecuada y la resistencia a la corrosión.El incremento en la actividad química a temperaturas más altas de la caldera necesita la remoción en el agua de alimentación del oxígeno y otros gases disueltos los cuales tienden a reaccionar químicamente con los materiales usados en la caldera y en el deterioro de estos materiales. Esta remoción es realizada por un proceso de desaereación en el tanque desareador. Por lo tanto éste tanque es comúnmente conocido como tanque de agua de alimentación y desareador (D.F.T).

RESUMEN DEL CICLO DE VAPOR.Para resumir las unidades importantes en un ciclo de vapor moderno, el siguiente listado está dado en orden del flujo de agua o vapor (ver Figura 1-4):

1. Caldera (con su economizador).

2. Máquina / turbina.

3. Condensador (con su eyector).

4. Bomba de condensado.

5. Tanque desareador (D.F.T.).

6. Bomba BOOSTER.

7. Bomba de Alimentación Principal.

Ciclo cerrado de vapor simple

1.1.4.-OBJETIVO: AL TERMINO DEL SUBTEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE LAS MEJORA DE LOS CICLOS DE VAPOR

Para mejorar la eficiencia, se han empleado diferente arreglos y procesos, características de operación y disminución del peso de las unidades.

Se recordará que cuando se añada calor al agua se produce vapor y adquirirá una temperatura constante, mientras permanezca en contacto con el agua recibe el nombre de vapor saturado.

Tan pronto como éste vapor empieza a expandirse en la turbina, la conversión de calor a trabajo comienza y la temperatura cae, causando una condensación parcial. Las gotas de agua condensadas así formadas son llevadas a través de la turbina incrementando su velocidad y por ello, tienen un efecto erosivo considerable, y afecta la eficiencia de la turbina. En plantas modernas el vapor saturado de la caldera es recalentado a una temperatura suficientemente alta, antes de ser introducido a la turbina, de manera que el contenido de humedad en la salida de la turbina no es mayor del 12% a 15%.

Recalentar el vapor es; incrementar la temperatura arriba de la temperatura de ebullición para una presión dada.

Otras ventajas resultan del uso del recalentado. Primero, Una parte del calor absorbido por el vapor está a una temperatura arriba de la de ebullición o temperatura de saturación. Esto incrementa la temperatura media del calor de adición, T1, y da por resultado algún incremento en casi toda la eficiencia térmica del ciclo. Segundo, más energía es contenida en un vapor recalentado que en un vapor saturado. Por lo tanto, más trabajo puede ser realizado durante la expansión. Así, para una fuerza requerida dada, menos vapor recalentado es requerido y el tamaño de la máquina puede ser menor.

Compare la eficiencia térmica ideal y el trabajo teórico disponible en cada libra de vapor para dos máquinas, una operando a 600 lbs/pulg2 de vapor saturado, y otra operando a 600 lbs/pulg2 con 350°F de recalentamiento. Ambas máquinas descargan vapor saturado a una presión del condensador de 1 lb/pulg2.

Calor Vapor saturado Vapor recalentado Diferencias

Calor añadido en la caldera 1133.6 BTU 1355.7 BTU 222.1 B.T.U.

Calor rechazado en el condensador 737.1 BTU 851.9 BTU 114.8 B.T.U.

Calor teórico disponible paraconversión a trabajo

396.5 BTU 503.8 BTU 107.3 B.T.U.

Eficiencia Teórica 35.2% 37.2% 2.0%

Para una eficiencia de un ciclo ideal, termodinámicamente se requiere que el calor sea transferido al fluido de trabajo a una temperatura tan cercana a la de la fuente de calor. Esto indica que es antieconómico introducir el condensado relativamente frío directamente a la caldera, donde el nivel de temperatura es el más alto del ciclo. Por lo tanto, si la temperatura del condensado puede ser aumentada en etapas, desde las fuentes de calor más bajas que la temperatura de la caldera, la eficiencia del ciclo se incrementará.

Esto es realizado por calor de alimentación regenerativo, o extracción, como es comúnmente llamado. En éste esquema, una parte del vapor es extraído o sangrado de la turbina en uno o más puntos, después una parte de ésta energía térmica ha sido convertida en trabajo útil, y llevada a intercambiadores de calor en el circuito de alimentación, donde éste cede energía térmica para aumentar la temperatura de alimentación. Después de que el vapor sangrado es enfriado y condensado, éste es mezclado con el agua de alimentación y regresado a la caldera. La Figura 1-5 indica un esquema para una extracción de 3 etapas. Cinco o tres etapas es aproximadamente el límite práctico en cualquier planta de vapor. Cuando la extracción es usada en la práctica naval moderna, solamente una etapa es usada.

T1

T2

El tanque desaereador (D.F.T.) sirve como intercambiador de calor para una etapa de extracción sencilla en práctica naval, y los dos calentadores de alimentación indicados en la figura 1-5 no son utilizados. Aún en instalaciones navales donde el vapor no es sangrado de la turbina principal, la condensación en el Tanque Desaereador (D.F.T.) del vapor de descarga de la bomba de alimentación principal y otros auxiliares calienta la alimentación, y es similar en efecto a la extracción.

Otro esquema para mejorar la eficiencia involucra la adición de calor al vapor una vez que éste ha hecho algo de trabajo en la turbina. Esto requiere la extracción del vapor en algún punto de la turbina, conduciéndolo de regreso a la caldera a donde se añada más calor, y después regresándolo a la turbina inmediatamente abajo desde el punto de extracción y permitiendo completar su expansión. Este proceso es llamado recalentar y cuando es usado adecuadamente da por resultado dos ventajas.

A.- Primero, La temperatura promedio del calor de adición al ciclo es incrementada y esto incrementa la eficiencia del ciclo.

B.- Segundo, más trabajo por libra de fluido de trabajo puede ser extraído del vapor, manteniendo el contenido de humedad final en un nivel aceptable.

VARIOS.

En los anteriores principios básicos de termodinámica han sido considerados como aplicados a una planta de energía de vapor, y en particular, una planta de energía usando una turbina de vapor como un dispositivo de conversión de energía.

Es enfatizado que las leyes básicas se aplican a cualquier planta que produce trabajo de la conversión de energía térmica a energía mecánica, y que la eficiencia del ciclo de Carnot limita la ejecución de todas las plantas.

Máquinas de gasolina, máquinas diesel, máquinas alternativas de vapor, turbinas de gas, jets, y turbo-jets todos siguen estos principios, aunque las consideraciones detalladas pueden variar.

La turbina de vapor es el dispositivo de conversión de energía más apropiado para propulsiones marinas a altos niveles de fuerza, aunque en forma moderada en bajos niveles de fuerza, las máquinas diesel son extensamente usadas.

Algunas comparaciones en el rango de combustible están dadas en la Figura 1-6. Las máquinas alternativas de vapor son relativamente más baratas, confiables y fáciles de construir, pero no son prácticas en potencias altas debido a las grandes masas alternativas requeridas por los cilindros de baja presión para manejar las cantidades de vapor en juego.

DEFINICIONES.

Los términos definidos son estándares como se usan en Especificaciones Generales para Barcos de la Armada de México. Serán usados en discusiones subsecuentes y su significado debe estar claramente entendidos.

Una planta de propulsión consiste de la unidad de propulsión, calderas, auxiliares de propulsión y equipo asociado, sistemas de tubería o conducción, y sistemas eléctricos que son requeridos para impulsar una hélice.

Una unidad de propulsión consiste del equipo y maquinaría, incluyendo sus controles, tanto eléctrica, mecánica o hidráulicamente conectados a un eje de propulsión.

Los auxiliares de propulsión son aquellos que están, directamente relacionados con una planta de propulsión, los cuales desempeñan funciones esenciales para la operación de ésta. Como: el condensador, la bomba de condensado, el tanque desaereador de alimentación, las plantas de aire acondicionado, plantas de servicio eléctrico del barco, sistemas de control, etc.

Los auxiliares independientes son aquellas unidades auxiliares no directamente relacionados con la planta(s) de propulsión o plantas auxiliares independientes. Bombas de contra incendió, bombas de achique (agua), bombas de aceite lubricante y combustible, máquinas del sistema de fondeo, y máquinas de gobierno.

Una turbina es considerada como un componente sencillo consistente de un rotor simple cubierta con una envuelta. Puede ser caracterizada por términos descriptivos apropiados como “alta presión”, “baja presión” “simple flujo” etc. Cuando dos o más turbinas están montadas en el mismo eje, o sobre ejes los cuales están engranados juntos, el ensamblaje será nombrado unidad de turbina.

1.1.5.- OBJETIVO: AL TERMINO DEL SUBTEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE LAS CONSIDERACIONES DE DISEÑO.

Existen tres consideraciones importantes para el diseño de plantas de maquinaria naval son:

A.- Confiabilidad.B.- Autosuficiencia.C.- Flexibilidad.

Confiabilidad. El principio de confiabilidad es supremo. Ningún compromiso de este principio es relacionado con ningún otro requisito. (Este principio resulta en frecuente duplicación de aquellas unidades esenciales para la operación de la planta).

La confiabilidad es algunas veces responsable para la aceptación en plantas de vapor naval o ciertos equipos, controles o dispositivos automáticos los cuales simplifican operaciones, pero que pueden ser añadidos para eliminar la complejidad y la vulnerabilidad bajo condiciones de batalla.

Bajo un riguroso proceso de juicio, los diseñadores de ingeniería naval han estado siempre a la vanguardia en la concepción, diseño, y desarrollo de confiables mejoras en plantas de vapor marino.

Autosuficiencia. Cuando las plantas de propulsión son instaladas en espacios separados, cada planta es independiente y autosuficiente de manera que el mal funcionamiento de una planta no afecta la operación de la otra caso de los clase Gearing.

Cuando dos unidades de propulsión estén instaladas en el mismo espacio, las unidades son independientes con respecto a los sistemas tales como sistema de lubricación, enfriamiento y condensación. Otros componentes pueden servir para ambas unidades. En caso, de una avería por inundación en cualquier espacio en el cual el eje de la hélice lo cruce no debe existir una operación de emergencia para los cojinetes del eje en ese espacio o para el eje de propulsión en otro espacio.

Flexibilidad.- Incorpora conexiones entre las plantas de propulsión y los componentes de paso que son provistos en todas las plantas modernas. Tal flexibilidad provee la posibilidad de operar una unidad de propulsión dada con vapor principal o auxiliar de una caldera o calderas las cuales son parte de otra planta de propulsión.

1.2. OBJETIVO: AL TERMINO DEL TEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE EL CICLO DE VAPOR NAVAL

1.2.1. AL TERMINO DEL SUBTEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE EL PROPÓSITO.

Es examinar una planta de propulsión típica como un todo para obtener una idea clara, es un arreglo similar al instalado en cualquier buque moderno de propulsión turbo mecánica.

Una planta propulsora turbo mecánica consiste esencialmente de la maquinaria necesaria para hacer lo mas eficiente posible el ciclo de vapor incluyendo, un sistema de vapor principal, un sistema de vapor auxiliar, un sistema de descargas auxiliares, un sistema de agua de alimentación y las conexiones necesarias para conectar estos sistemas, el sistema de vapor a sellos, el sistema de lubricación y los sistemas de drenados de baja y alta presión.

1.2.2.- OBJETIVO: AL TERMINO DEL SUBTEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE EL CICLO DE VAPOR NAVAL.

El ciclo de vapor naval es aquí considerado como la integración de cuatro fases, o sistemas.

A.- Fase de generaciónB.- Fase de expansión. C.- Fase de condensaciónD.- Fase de alimentación de la caldera.

La figura 2-1 es un diagrama del ciclo de vapor naval indicando la fase de expansión y que contempla:

1. Fase de expansión.a. Tuberías de vapor naval, válvulas y accesorios.b. Válvulas de control de turbinac. Turbinas de propulsión principal

2. Fase de condensado1. Condensador principal.2. Bomba de condensado.3. Varios intercambiadores de calor.4. Tanque desaereador (D.F.T.) Cumple con dos funciones: contener, calentar y desaerear el condensado.

b. Sistema (fase) de alimentación de la caldera. 1. Tanque desaereador ( D.F.T.) almacenamiento de agua de

alimentación. 2. Bombas booster de alimentación principal. 3. Bomba de alimentación principal. 4. Economizador.

c. Tubería y válvulas para el tanque de alimentación de reserva. (Conectados en varios lugares a ambas fases: la de alimentación de la caldera y la de condensado.)

La fase de expansión incluye la parte del ciclo de vapor principal que comienza en la salida de la caldera, y termina en la interconexión entre la unidad de turbina y el condensador.

Esto incluye la tubería, filtros y válvulas de vapor principal (algunas veces referida como el sistema de vapor principal), las válvulas de control de la turbina, y las turbinas propiamente dichas.

En esta parte del ciclo, el flujo de vapor que es llevado a la turbina, es controlado, y la energía térmica interna es convertida a energía mecánica.

El sistema de alimentación principal es parte del ciclo del vapor principal que empieza en:

• La entrada del vapor al condensador, incluyendo al mismo,• La bomba de condensado,• Varios intercambiadores de calor,• El tanque desaereador (D.F.T.),• La bomba booster de alimentación,• Las bombas de alimentación principal y auxiliar• Los tanques de alimentación de reserva y emergencia e interconexiones.

El sistema de alimentación principal está subdividido en dos sistemas (fase), el sistema (fase) de condensado y el sistema (fase) de alimentación de caldera. Ver Figura 2-1.

La fase de condensación es la parte del sistema la cual comienza en la entrada de vapor al condensador y termina en el tanque desaereador (D.F.T.) el cual realiza el calentado y desaereado del agua de condensado y de alimentación.

En ésta fase el vapor de descarga es convertido a líquido condensado por transferencia de calor al agua de mar circulada a través de los tubos del condensador; la presión del condensado se eleva por la bomba de condensado, el calor se transfiere dentro del condensador y en el tanque desaereador (D.F.T.); y el oxigeno disuelto y gases no condensables son removidos del condensado convirtiéndose en agua de alimentación de caldera. Esta parte del ciclo esta marcada en la Figura 2-1.

• La fase de alimentación principal de la caldera comprende:• El tanque desaereador (D.F.T.),• La bomba booster de alimentación,• La bomba de alimentación principal,• El economizador.

En ésta parte del sistema la presión de agua de alimentación de la caldera es elevada lo suficientemente para inyectarla al colector de vapor, y la energía térmica de los gases de escape en la chimenea es añadida a el agua al pasa por el economizador.

La fase de generación en el ciclo de vapor principal incluye la caldera, el recalentador, y el desrecalentador, los cuales están ordinariamente en una unidad integral.

Es en ésta parte del sistema en donde la mayor cantidad de calor es añadida al fluido de trabajo. Esta es la parte del sistema en la cual la planta de energía nuclear difiere ampliamente de la planta convencional.

naval

1.3. OBJETIVO: AL TERMINO DEL TEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE EL SISTEMA DE VAPOR PRINCIPAL DE 1200 PSI.

1) El propósito de este sistema es entregar vapor recalentado a una alta presión desde una caldera a las turbinas de la planta propulsora del buque, o de otros usos por ejemplo:turbina de alta presión y de baja presiónb. Turbobamba de alimentación principalc. turbogenerador auxiliar del buque

2) Parámetros del sistema La presión a la salida del recalentador es de:

a. Mínimo 1230lbs/pulg²b. Normal 1260lbs/pulg²c. Maxima 1275lbs/pulg²

La temperatura de salida del recalentadora. Mínimo 750ºFb. Normal 850ºFc. Maxima 975ºF

3) Componentes: tuberías, válvulas, termómetros, manómetros y coladores de vapor.

3) Componentes del Sistema de Vapor Principal: Consiste de tubería, válvulas, termómetros, manómetros y coladores de vapor.

ELEMENTO DESUJECCION

TORNILLERIA,PERNOS, TUERCAS,ESPARRAGOS

MATERIAL USOCOLOR

EXTERIORCOLOR

INTERIOR

ACERO SISTEMA DE VAPOR

ALEACIONES DE COBRE Y BRONCE

EN TUBERÍAS DE SENTINAS

NEGRO

NEGRO

PLATEADO

DORADO

El fluido que circula a través de la tubería, determina la construcción del sistema: por ejemplo, un sistema de vapor principal de 1200 psi, se construirá de materiales diseñados para soportar una mayor temperatura y presión, que el sistema de 600 psi.

NOTA: En instalaciones de 1200 psi., los elementos de sujección,tornillos, pernos, tuercas, espárragos, etc., que sean instalados en cualquier sistema de tubería, deben probarse antes de su colocación.

Ejemplo: los de acero son utilizados en los sistemas de vapor y los de aleaciones de cobre y bronce son usados en áreas como sentinas, donde la corrosión es un factor principal. En apariencia externa ambos elementos de color negro, lucen idénticos; el uso del bronce en los sistemas de vapor de alta presión, lo dañaría, resultando una grave falla. Si el acero se utiliza en sistemas diseñados para bronce, la excesiva corrosión causara una falla

Los elementos de sujeccion pueden ser probados, en una de sus superficies con una herramienta de golpe: el bronce tendrá un color dorado, el acero un color plateado. Los elementos de sujeccion deben ser probados antes de su instalación, ya que por su idéntica apariencia, pueden encontrarse en la misma caja del pañol o almacén. Actualmente dichos elementos cuentan con marcas de identificación de fabrica y abordo son almacenados por separado, como los correspondientes al material clasificado como de nivel uno.

Los nombres y números de las válvulas del sistema de vapor principal y de los usuarios de dicho vapor, variaran de acuerdo al buque en que están instalados.En las plantas de maquinaria naval, las válvulas de vapor principal están marcadas con las letras "ms", y los volantes de las válvulas están pintados en color blanco.

1.4. OBJETIVO: AL TERMINO DEL TEMA EL CADETE, DESCRIBIRÁ BREVEMENTE EL SISTEMA DE VAPOR AUXILIAR.

Todos los aparatos auxiliares de propulsión y otros auxiliares requieren una fuente de vapor o máquina generadora de energía para hacerlos funcionar.

Las máquinas generadoras de energía pueden ser pequeñas turbinas de vapor que impulsan a generadores eléctricos u otras maquinas. Para recibir el vapor auxiliar que las hace funcionar se dispone de un sistema de tuberías, válvulas, filtros , placas de orifico, intercambiadores de calor, reductores de presión y otros componentes a bordo de las unidades de superficie.

En instalaciones de 1200 lbs/pulg2. más recientes, el vapor recalentado a la

presión de la caldera es usado para hacer funcionar las turbinas auxiliares. Este vapor es obtenido de una conexión a la línea de vapor principal cerca de la salida de la caldera.

En todos los sistemas, el vapor a baja presión es requerido para varios servicios, llamado sistema de vapor auxiliar de 150 lbs/ pulg2.

1. Sistema de vapor auxiliar de 150 lbs./pulg2. incluye: a. Calentador de servicio de combustible. b. Eyectores de aire. c. Intercambiador de calor para calentar el lubricante. d. Válvula de reducción para el sistema de vapor auxiliar de 100 lbs/ pulg2.

e. Válvula de reducción para el sistema de vapor auxiliar de 50 lbs/ pulg2.

Ciclo de vapor auxiliar de servicios de hotelería.

2. Sistema de vapor auxiliar de 100 lbs/ pulg.2 para: a. Lavandería. b. Válvula de reducción para sistema de vapor auxiliar de 50 lbs/

pulg.2

3. Sistema de vapor auxiliar de 50 lbs/ pulg.2 a. Cocina b. Sistema de agua caliente para baños. c. Sistema de calefacción del buque.

La figura 2-2 muestra un sistemade vapor auxiliar.

1.5. OBJETIVO: AL TERMINO DEL TEMA EL CADETE DESCRIBIRÁ EL SISTEMA DE DESCARGA DE AUXILIARES.

La turbina de propulsión descarga el vapor ya trabajado a el condensador principal. Similarmente el turbogenerador al condensador auxiliar o al principal si se dispone de este medio.

Es impráctico, suministrar un condensador individual para cada turbina pequeña la cual haga funcionar una bomba auxiliar.

Se dispone de tuberías para recolectar el vapor trabajado de todas las turbinas auxiliares en la planta de propulsión. Este circuito es llamado sistema de descarga de auxiliares.

La presión de sistema de descarga de auxiliares es mantenida a 15 lbs/ pulg.2 al colocase una válvula reductora de presión de control automático.El vapor de 15 lbs/ pulg.2 en el sistema de descarga de auxiliares retiene considerablemente la energía térmica la cual es empleada en dos maneras importantes.

A.- Primero, el vapor es usado en el tanque desaereador (D.F.T.), para calentar el condensado y extraerle el oxígeno disuelto. Una parte importante del sistema de descarga de auxiliares es usado de esta manera. Esta parte se combina con el agua de alimentación en el proceso de calentamiento y es desaereado, y así regresa a la caldera.

B.- Segundo, usado para proporcionar una parte de la energía térmica requerida para operar la planta destiladora., el condensado es regresado a la caldera a través del sistema de drenado de baja presión.

Cuando es conducido más vapor al sistema de descarga de auxiliares del que es requerido para las funciones anteriores, la presión aumentará arriba de 15 lbs/ pulg2, el aumento en la presión causa que se abra una válvula de descarga automática, permitiendo que el sistema de descarga de auxiliares envié el vapor al condensador principal. Esta válvula se cierra cuando la presión cae nuevamente a 15 lbs/ pulg2. El vapor que fluye al condensador principal pierde su energía y se condensa por el agua de mar circulante; ésta energía se transmite al agua de mar que circula en el condensador. Note que la energía térmica en las partes del vapor auxiliar usadas en el tanque desaereador (D.F.T.) y la planta destiladora ejecuta funciones útiles. Sin embargo, el vapor descargado al condensador pierde su energía térmica en el mar.

Es importante controlar la descarga de auxiliares en el sistema para balancear la suma de los requerimientos del tanque desaereador (D.F.T.) y la planta destiladora. Esto se hace por la elección apropiada del número de bombas impulsadas por vapor y bombas impulsadas por electricidad en uso, bajo varias condiciones de carga de la planta.

Bajo algunas condiciones de carga, pudiera haber vapor insuficiente en el sistema de descarga de auxiliares para mantener la presión requerida, aún cuando no se estuvieran usando bombas eléctricas. En tales circunstancias se previene aumentando la presión admitiendo vapor directamente del sistema de descarga de auxiliares, a través de la válvula de reducción de presión. La figura 2-3 muestra el sistema de descarga auxiliar.

1.6.- RESUMEN.

Recapitulando lo anterior el ciclo de sistema de vapor auxiliar, con sus cuatro fases, ha sido analizado; la fuente y uso del sistema de vapor auxiliar ha sido explicado; y el sistema de descarga de auxiliares ha sido descrito. Un diagrama mostrando la integración de estos sistemas para una planta de propulsión es dado en la lamina II

1.7. OBJETIVO: AL TERMINO DEL TEMA EL CADETE DESCRIBIRÁ LA TEORÍA BÁSICA DE LAS TURBINAS.

1.7.1. Principio de acción.

Si una cantidad de vapor es confinada en un recipiente cerrado, desarrollará una presión sobre las paredes del mismo, P1, T1 y V1. Entonces si conectamos éste recipiente por medio de un conducto reducido (un tubo o una tobera), a una zona de más baja presión, el vapor fluirá a través del conducto y se expandirá a un volumen mayor P2, T2 y V2, dependiendo de la presión más baja. La velocidad del flujo de vapor (en pies por segundo), dependerá de la diferencia de presión existente entre las zonas de alta y baja presión; así también el valor en peso del mismo, dependerá de su velocidad y del área de la sección del tubo o tobera.

A una presión y temperatura dadas, el vapor contiene cierta cantidad de energía térmica (calor) que aumenta con la presión o temperatura, y viceversa. Por lo tanto el flujo del vapor a través de un conducto reducido da como resultado una disminución de la energía térmica.

Esta disminución es equivalente a lo que gana en energía cinética, la cual es directamente proporcional al cuadrado de su velocidad. E = v2 En otras palabras, la energía térmica se convierte en energía cinética o mecánica a causa de fluir el vapor de una zona de alta presión P1, T1, w1 y V1 a una zona de más baja presión P2, T2 y V2.

Si colocamos un obstáculo en la trayectoria del flujo de vapor, la fuerza desarrollada por éste, ejercerá una acción sobre ese obstáculo, cuya magnitud dependerá de la cantidad y velocidad de esa corriente de vapor. Ahora bien, si colocamos el citado obstáculo de tal manera que pueda moverse, el chorro de vapor desarrollará un trabajo sobre el mismo, cuya cantidad será igual al producto de la fuerza por la distancia a través de la cual éste se mueva, es decir, la distancia a través de la cual actúe la fuerza. T = f x dSupongamos que el obstáculo es un álabe o paleta, montada sobre la corona de una rueda que pueda girar libremente. Si ésta rueda contiene una serie de paletas alrededor de su periferia total, de modo que, a medida que cada una gira fuera de la trayectoria del chorro de vapor, otra tomará su lugar, existiendo una fuerza rotacional continua aplicada a la rueda, y ésta continuará girando mientras se mantenga aplicado el chorro de vapor.(figura 3-1 y 3-1a) Este aparato constituye, en principio, una de las formas más simples de una turbina de vapor. Puesto que su operación depende de la acción del chorro de vapor, ésta es conocida como una turbina de acción.

1.7.2. Principio de reacción.

EL vapor, al expandirse a través de una tobera, adquiere velocidad, y en consecuencia, energía cinética, la cual es capaz de desarrollar una fuerza contra cualquier objeto colocado en su trayectoria.

Sabemos que a cada acción corresponde una reacción de igual magnitud y en sentido contrario, por ejemplo, cuando sostenemos el extremo de una manguera por la que ha de fluir un chorro de líquido, un golpe de retroceso o reacción se manifiesta en nuestras manos cuando se produce la afluencia del mismo, teniendo que hacer un esfuerzo adicional para sujetarla.

Si ahora fijamos un número de toberas a la corona de una rueda que gire libremente, y que los chorros de todas ellas fluyan en una dirección tangente a su periferia. Las citadas toberas estarán conectadas por medio de tubos a un eje hueco sobre el que se encuentra montada la rueda, y éste eje hueco, a su vez, es conectado a una fuente de suministro de vapor de relativa alta presión. El flujo del vapor a través de las toberas producirá una fuerza reactiva que imprimirá a la rueda un movimiento de rotación en sentido opuesto al chorro del vapor que fluye de éstas. Este sencillo aparato, que está ejemplificado por la turbina de Hero en la( figura 3-2) en la práctica común es representado por un aspersor de jardín, constituye, en principio, un segundo tipo de turbina que es conocida como la turbina de reacción, ya que su operación depende de la reacción del vapor al expandirse a través de las toberas.

En las turbinas, las toberas son empaletados fijos, de tal manera que los pasajes entre las paletas adyacentes toman la forma de toberas. Este efecto de reacción existe en todos los casos en que un fluido abandona un conducto reducido (tal como una tobera, o el pasaje entre paletas) con una velocidad más alta con relación a aquella que tenga al entrar a éste. También se presenta siempre que la dirección del flujo del fluido cambiará mientras pasa a través de dicho conducto.

(A medida que el fluido cambia de dirección, la fuerza centrífuga desarrollada en su masa lo fuerza contra la cara de la paleta alejándola del centro de giro).

Definición de una turbina como un aparato mecánico por medio del cual la “energía térmica del vapor es convertida en energía cinética o mecánica” haciendo que el vapor se expanda a través de toberas o empaletados; y convirtiendo esta “energía cinética en trabajo” mediante la utilización de uno de los dos métodos siguientes:

a) Dirigiendo el chorro de vapor expandido que fluye de las toberas, contra paletas montadas sobre una rueda que pueda girar libremente, como en la turbina de acción.

b) Utilizando la fuerza reactiva del vapor, debida a su expansión en el empaletado, para producir rotación como en la turbina de reacción.

Para lograr el efecto de acción o de reacción, las turbinas deben poseer algún dispositivo o aparato que le imprima una alta velocidad al vapor. Esto se consigue haciendo pasar el vapor desde una zona de alta presión a una de baja presión, a través de una tobera.

En la turbina de reacción el vapor es hecho pasar a través de un empaletado, diseñado de tal modo que el espacio entre paletas adyacentes es en sí una tobera en la cual aumenta la velocidad del vapor.Las toberas adoptan muchas formas, pero fundamentalmente todas son similares. Consisten de una sección entrante, una garganta y una boca. La figura 3-3 muestra una tobera convergente típica. Construcción de un block de toberas

covergentes.

1.8. OBJETIVO: AL TERMINO DEL TEMA EL CADETE DESCRIBIRÁ EL FLUJO DEL VAPOR A TRAVÉS DE LAS TOBERAS.

Cuando existe una presión relativamente baja en la zona en que descarga la tobera, el vapor tiene tendencia a expandirse rápidamente en todas direcciones originando turbulencia. Para los efectos de reducir o controlar esta expansión turbulenta, se le agrega a la garganta una parte cuya área aumenta gradualmente, resultando que el vapor descargue de la misma en una corriente continua y regular, es decir, sin turbulencia.

Entonces tendremos la tobera mostrada en la figura 3-4 y 3-4 (a), que llamamos tobera convergente-divergente. Las variaciones que tienen lugar en velocidad, presión y volumen específico (pies cúbicos por libra) están indicadas gráficamente debajo de la tobera.

La pendiente de las curvas mostradas variará con los cambios en la diferencia de presión del área de la sección transversal, de la longitud de la tobera y del ángulo de divergencia.

Figura 3-4. Tobera convergente divergente

Diagrama de presión velocidad y volumen específico en una tobera convergente divergente

Del estudio de la física sabemos que la energía cinética de una masa de vapor en movimiento se expresa mediante la relación:E. C. = W V²/ 2gdonde,E.C. = Energía cinética, en pies-libras;W = Peso del vapor, en libras;V = Velocidad, en pies por segundo;g = 32.2 pies por segundo ².Esto es, la energía cinética es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad. Por lo tanto la tobera, al incrementar la velocidad del vapor, da como resultado un aumento en su energía cinética. Esta exposición nos da la definición de una tobera en términos de su función fundamental, que es, la conversión de la energía térmica de un fluido, tal como el vapor, en energía cinética, al expansionarlo desde una zona de alta presión a una zona de baja presión.1.9. OBJETIVO: AL TERMINO DEL TEMA EL CADETE DESCRIBIRÁ LAS RELACIONES ENTRE LAS DIFERENTES VELOCIDADES DEL VAPOR EN UN EMPALETADO DE ACCIÓN.

De lo expuesto es evidente que la energía cinética impartida por la tobera a una cantidad dada de vapor, depende de la velocidad del mismo. A fin de convertir la citada energía en trabajo, debemos transferir ésta velocidad del vapor a un álabe o paleta montada sobre un eje. Ahora bien, si toda esta energía, debida a la velocidad, es transferida a la paleta, hemos de diseñarla con características tales que, después de abandonarla, la velocidad absoluta del vapor sea cero. Véala esquemáticamente en la Figura 3-5.

CAMBIA DE SIGNO POR QUE INVIERTE EL SENTIDO, PERO NO CAMBIA LA MAGNITUD.

Figura 3-5. Paleta curva de acción y demostración por qué Vb = ½ V1

-

-

Si la velocidad absoluta del chorro de vapor es V1 y de la paleta es Vb, entonces para un observador parado sobre la paleta, la corriente de vapor golpea la paleta con una velocidad relativa V1-Vb. La paleta revierte la dirección de la corriente de vapor relativa a ella, si asumimos que no existe fricción, ésta no cambia la magnitud de la velocidad relativa.

Es este hecho el cual caracteriza a la paleta como de acción. Por lo tanto, la velocidad de la corriente dejando la paleta (aún vista desde el observador sobre la paleta) es -(V1-Vb). Pero la velocidad absoluta de salida es la suma de la velocidad relativa de salida y la velocidad de la paleta, es decir:

FA = V1 cos = V2 cos + Vb

TURBINAS DE VAPOR - CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN POR PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

• HACE REFERENCIA AL MÉTODO PARA OBTENER TRABAJO:• TURBINA DE ACCIÓN.

Vapor expansionado y alta velocidad se dirige contra paletas montadas en rueda que puede girar libremente, de forma que al pasar entre ellas no se expansiona.La caída de presión tiene lugar en las toberas mientras que en las paletas (fijas y móviles) la presión se mantiene constante.

• TURBINA DE REACCIÓN.Se aprovecha la fuerza de reacción del vapor al sufrir una expansión en su paso a través de las paletas móviles.La presión del vapor cae en cada corona de paletas (fijas y móviles).

PRINCIPIO DE ACCIÓN

PRINCIPIO DE REACCIÓN

“Depende únicamente de la acción o impulso

del flujo de vapor”

“Depende de la fuerzade reacción del flujo de vapor al expansionarsea través de las toberas”

PALETAS MÓVILES

PALETAS MÓVILES

ACTUAN DOS FUERZAS UNA AL CHOCAR EL VAPOR CONTRA LA PALETA (ACCIÓN) Y OTRA AL ABANDONARLA (REACCIÓN)

Figura 3-7 (a). Diagrama vectorial de velocidad en una Turbina de acción.

=

=

=

Ángulo de entrada del vapor ( ).

Ángulo de entrada de paleta.

Ángulo de salida de paleta.

V = Velocidad absoluta de entrada de vapor.

V = Velocidad relativa de entrada de vapor.

V = Velocidad relativa de salida de vapor.

V = Velocidad absoluta de salida de vapor.

V = Velocidad de la paleta.

ángulo de tobera

1

2

3

4

b

FA = V1 cos = V2 cos + Vb

FA = V1 cos = V2 cos + Vb

B=90º V2 = 0 V1 = V3

V2 = V4

Cos B = FA

V2

F2

F’2 SE DESCOMPONE ORTOGONALMENTE

R’2 Y T’2R’2 = FUERZA DEBIDA AL CAMBIO DE DIRECIÓN

DEL VAPOR

T’2 = FUERZA DE EMPUJE AXIAL

R”2= FUERZA REACTIVA DEBIDA AL CAMBIO

EN LA MAGNITUD DE LA VELOCIDAD

T”2 = FUERZA DE EMPUJE AXIAL

T2= RESULTANTE DE T’2 Y T”2 QUE ES UN EMPUJE AXIAL OPUESTO AL SENTIDO DE FLUJO DEL VAPOR A TRAVÉS DE LA TURBINA

F1 SE DESCOMPONE ORTOGONALMENTE EN:

T1 = COMPONENTE DE EMPUJE AXIALR1= COMPONENTE DE ACCIÓN DEBIDA A LA VELOCIDAD DEL VAPOR ENTRANTE

T1 Y T2 IGUALES DE SENTIDOS OPUESTOS = 0

F3 FUERZA QUE PRODUCE UN EMPUJE AXIAL DEBIDO A QUE EN LA MEDIDA EN QUE EL VAPOR QUE PASA A TRAVÉS DE LAS PALETAS EXPERIMENTA UNA CAIDA DE PRESIÓN DANDO COMO RESULTADO UNA CONSIDERABLE DIFERENCIA DE PRESIÓN ENTRE LOS LADOS DE ENTRADA Y SALIDA DE LA HILERA DE PALETAS MÓVILES, ESTA DIFERENCIA DE PRESIÓN EJERCE UN EMPUJE EN EL SENTIDO DEL FLUJO DEL VAPOR QUE NO ENCUENTRA OPOSICIÓN POR UNA FUERZA EN SENTIDO CONTRARIO, POR TANTO DEBERÁ EQUILIBRARSE CON UN MECANISMO EXTERIOR.

X = Ángulo de entrada del vapor (ángulo de tobera). ß = Ángulo de entrada de paleta. Y = Ángulo de salida de paleta.V1 = Velocidad absoluta de entrada de vapor.V2 = Velocidad relativa de entrada de vapor.V3 = Velocidad relativa de salida de vapor.V4 = Velocidad absoluta de salida de vapor.Vb = Velocidad de la paleta.

FA = V1 cos = V2 cos + Vb

FA = V1 cos = V2 cos + Vb

LA FUERZA REACTIVA EJERCIDA SOBRE LA PALETA MÓVIL POR EL VAPOR DE SALIDA F2, TIENE DOS COMPONENTES, UNA DEBIDA AL CAMBIO DE DIRECCIÓN DEL VAPOR DENTRO DE LAS PALETAS F’2 Y LA FUERZA DEBIDA AL AUMENTO DE LA VELOCIDAD DEL VAPOR DENTRO DE LAS PALETAS F”2

T”2 = FUERZA DE EMPUJE AXIAL

T2= RESULTANTE DE T’ Y T”2 QUE ES UN EMPUJE AXIAL OPUESTO AL SENTIDO DE FLUJO DEL VAPOR A TRAVÉS DE LA TURBINA

F1 SE DESCOMPONE ORTOGONALMENTE EN:T1 = COMPONENTE DE EMPUJE AXIALR1= COMPONENTE DE ACCIÓN DEBIDA A LA VELOCIDAD DEL VAPOR ENTRANTE

T1 Y T2 IGUALES DE SENTIDOS OPUESTOS = 0

F3 FUERZA QUE PRODUCE UN EMPUJE AXIAL DEBIDO A QUE EN LA MEDIDA EN QUE EL VAPOR QUE PASA A TRAVÉS DE LAS PALETAS EXPERIMENTA UNA CAIDA DE PRESIÓN DANDO COMO RESULTADO UNA CONSIDERABLE DIFERENCIA DE PRESIÓN ENTRE LOS LADOS DE ENTRADA Y SALIDA DE LA HILERA DE PALETAS MÓVILES, ESTA DIFERENCIA DE PRESIÓN EJERCE UN EMPUJE EN EL SENTIDO DEL FLUJO DEL VAPOR QUE NO ENCUENTRA OPOSICIÓN POR UNA FUERZA EN SENTIDO CONTRARIO, POR TANTO DEBERÁ EQUILIBRARSE CON UN MECANISMO EXTERIOR.