Post on 08-Aug-2015
Curso: Plantas Industriales
Docente: Ing.Carlos Gordillo Andia
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN
FACULTAD DE PRODUCCION Y SERVICIOS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA
Universidad Nacional de San Agustín
Escuela Profesional de Ingeniería
Mecánica
ContenidoINTRODUCCION...............................................................................................................................4
OBJETIVOS........................................................................................................................................6
Objetivos Generales.........................................................................................................................6
Objetivos Específicos......................................................................................................................6
CAPÍTULO I.......................................................................................................................................7
MARCO TEÓRICO............................................................................................................................7
1. EL AGUA....................................................................................................................................8
1.1. Características Físicas.........................................................................................................9
1.2. Características Químicas...................................................................................................10
1.3. Procesos Termodinámicos Del Agua................................................................................11
1.4. Sistemas Presión vs. Temperatura.....................................................................................12
1.5. Cambio De Fase................................................................................................................14
2. VAPOR DE AGUA...................................................................................................................19
2.1. Vapor húmedo...................................................................................................................22
2.2. Vapor saturado y seco.......................................................................................................23
2.3. Vapor sobrecalentado........................................................................................................23
3. BAÑO SAUNA.........................................................................................................................24
3.1. Características Generales De Un Baño Sauna...................................................................25
3.2. Sauna Húmeda o Baño Turco............................................................................................27
3.3. Sauna Seca o Finlandesa...................................................................................................27
3.4. Propiedades Termodinámicas Del Vapor A Emplearse....................................................29
CAPITULO II....................................................................................................................................30
PARÁMETROS DEL PROYECTO.................................................................................................30
1. SISTEMAS DE CALENTAMIENTO......................................................................................31
1.1. Diesel.................................................................................................................................32
1.1.1. Características del Diesel como Combustible...........................................................33
1.1.2. Proceso de Combustión del Diesel............................................................................35
1.2. Gas Licuado De Petróleo...................................................................................................37
1.2.1. GLP en refinerías.......................................................................................................37
1.2.2. GLP de gas natural....................................................................................................37
2. CALENTAMIENTO ELÉCTRICO..........................................................................................40
2.1. Resistencias eléctricas.......................................................................................................41
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2.2. Potencia eléctrica en circuitos resistivos...........................................................................42
3. CALDERAS..............................................................................................................................43
3.1. Breve Historia De Las Calderas........................................................................................44
3.2. Tipos De Calderas.............................................................................................................45
3.2.1. Calderas Acuotubulares.............................................................................................46
3.2.2. Calderas Pirotubulares...............................................................................................47
4. CORROSIÓN EN INSTALACIONES DE VAPOR................................................................48
4.1. MÉTODOS PARA EVITAR LA CORROSIÓN..............................................................49
5. TRATAMIENTO DEL AGUA PARA CALDERAS...............................................................51
CAPÍTULO III
SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS...............................................................................................54
1. SELECCIÓN DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO.........................................................54
2. SELECCIÓN DE LOS COMBUSTIBLES...............................................................................55
2.1. Condiciones de Almacenamiento......................................................................................55
2.2. Rendimiento térmico.........................................................................................................56
2.3. Tecnología de la combustión.............................................................................................56
2.4. Dispositivos para el control de mezcla..............................................................................56
2.5. Contaminación ambiental..................................................................................................57
2.6. Seguridad industrial...........................................................................................................57
3. SELECCIÓN DEL TIPO DE CALDERA................................................................................58
3.1. Tecnología De Construcción.............................................................................................59
3.2. Costo..................................................................................................................................59
3.3. Duración............................................................................................................................60
3.4. Seguridad...........................................................................................................................60
4. SELECCIÓN DEL AISLAMIENTO TÉRMICO.....................................................................61
4.1. Costo..................................................................................................................................61
4.2. Duración............................................................................................................................61
4.3. Facilidad De Colocación...................................................................................................61
CAPITULO IV
DISEÑO Y SELECCIÓN DE LOS COMPONETES DEL SISTEMA DE ALIMENTACION DEL SAUNA.............................................................................................................................................63
1. CALCULO DE REQUERIMIENTOS DE VAPOR.................................................................63
1.1. Cámara húmeda.................................................................................................................63
1.2. Cámara Seca......................................................................................................................66
1.3. Selección De La Caldera...................................................................................................68
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2. CALCULO DE LA LINEA Y ACCESORIOS.........................................................................69
2.1. Cálculo del diámetro de la línea troncal............................................................................69
2.2. Calculo del diámetro para tuberías ramales.......................................................................70
2.2.1. Cámara húmeda.........................................................................................................70
2.2.2. Cámara seca...............................................................................................................70
3. CONSUMO DE COMBUSTIBLE............................................................................................71
3.1. Soportes.............................................................................................................................72
3.2. Aislante..............................................................................................................................72
3.3. Juntas de Expansión..........................................................................................................72
CONCLUSIONES.............................................................................................................................74
BIBLIOGRAFIA...............................................................................................................................75
ANEXOS...........................................................................................................................................76
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INTRODUCCION
Un sauna tiene efectos beneficiosos sobre el organismo, al liberar, mediante sudorización,
que suele ser abundante y rápida, toxinas y activar la circulación sanguínea. Siempre va
acompañada con contrastes de temperatura, a la sesión de calor le sigue una de
enfriamiento, que amplía los efectos de la sudoración. Se toma con fines higiénicos y
terapéuticos.
El diseño de un sistema de vapor que sea capaz de alimentar un sauna es un proyecto
innovador en la ciudad de Arequipa ya que no se usan estos tipos de instalaciones por su
costo y por el hecho que no se ha realizado un diseño que pudiera abastecer cámaras secas
y cámaras húmedas de un sauna.
Para poder tener una idea de cómo diseñar un sistema de vapor para saunas primero
deberemos estudiar en forma abreviada los tipos de calderas más comunes: las
acuotubulares y las pirotubulares, así como el proceso corrosivo del acero por el contacto
con el agua, y el tratamiento del agua para calderos; evidentemente todos estos temas son
atratados con un calado somero, debido a que su extensión y profundidad ameritan por sí
solos otros temas de tesis, se toman los aspectos de mayor importancia y relevancia para el
proyecto particular que es la construcción de una caldera para alimentar un baño sauna.
Se justifica mediante la utilización de modelos matemáticos y termodinámicos la selección
del vapor saturado y seco, alejándose del concepto tradicionalmente aceptado, que por
definición las calderas operan con vapor saturado, mientras que los generadores de vapor
lo hacen con vapor sobrecalentado. El tipo de combustible a utilizar considera: existencia
en el mercado, facilidad de adquisición, transporte, costo, almacenamiento, rendimiento
térmico, tecnología de combustión, instrumental para el control de la mezcla,
contaminación y seguridad industrial.
El diseño del sistema de abastecimiento para un sauna constara de la formulación de
cantidad de vapor necesario asi como de la selección de los componentes ya sea la caldera,
el sistema de tuberías, las trampas de vapor, el abastecimiento de combustible para la
caldera entre otros puntos.
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El análisis de la cantidad de vapor que se necesita para operar la sauna, toma en
consideración la condición de ingeniería que tanto al vapor como al aire y la mezcla fina de
ellos son gases ideales. Ante la eventualidad de que la caldera se quede seca porque todo el
líquido se transformó en vapor, se calcula la cantidad de líquido a llenarse sea suficiente
para un día de funcionamiento.
El diseño de los tubos calentadores, en cantidad y dimensiones así como de los ductos para
favorecer el movimiento convectivo del líquido se hacen en base a cálculos de
transferencia de calor, de la misma forma se procede para el cálculo del aislamiento
térmico. El sistema de control de la caldera básicamente toma en cuenta la presión en el
interior de ésta, valor que es detectado por un manómetro y mediante un presóstato se lleva
la señal a un sistema de control para que cierre o abra la válvula del suministro de gas a los
quemadores, la seguridad a las sobrepresiones se da mediante una válvula de alivio.
El presente proyecto trata de cubrir en la forma más objetiva todos los temas necesarios,
para que los procesos cálculo y selección que sean factibles y seguros. Está en la
consciencia del grupo de investigación que subsisten muchos temas por evacuar, como la
proyección que puede y debe generar el presente proyecto, la calificación de los materiales
del mercado nacional para la construcción y la generación de tecnología propia, finalmente
con el convencimiento de que se ha abierto una puerta en el campo de las investigaciones
térmicas, se tiene la confianza de que los procesos termodinámicos los tratarán futuras tesis
de grado, elevando así el acervo cultural de la Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica.
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OBJETIVOS
Objetivos Generales
Uno de los objetivos del presente proyecto es utilizar eficientemente los conceptos,
postulados y leyes de la Ingeniería Mecánica en el diseño, cálculo y selección de
componentes adecuados para hacer una instalación eficiente que pueda abastecer un
baño sauna,
Otro objetivo es la utilización del producto principal que será el vapor de agua en
estado saturado y seco, en cantidad suficiente y en las condiciones físico-mecánicas
necesarias para su utilización en un baño sauna.
Objetivos Específicos
Parte de los objetivos específicos planteados para alcanzar en el desarrollo de este
proyecto, es comprender el funcionamiento de un caldero, diseñar una red de
tuberías, un sistema de descarga a las cámaras húmedas y que sea económica y
práctica en su uso, que se pueda construir con las normas disponibles y con los
materiales existentes en el país.
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CAPÍTULO I
MARCO TEÓRICO
Se toman los aspectos de mayor importancia y relevancia para el proyecto particular que es
la construcción o selección de una caldera para alimentar un baño sauna, para lo cual se
desarrolla un esquema general en la figura N° 1.1.
Fig. N° 1.1 Esquema General
El vapor de agua es un elemento conocido en la humanidad desde tiempos inmemoriales,
su utilización ha sido muy variada a través de los siglos; se conoce por la Historia que en el
siglo I, de nuestra era, el matemático Heron de Alejandría, a quien muchos tratadistas
consideran como el primer Ingeniero Mecánico de la humanidad, había construido una
turbina de vapor y hace mención de su funcionamiento en un tratado que denominó
Eolipias, se sabe también que varios otros trabajos relacionados con la Ingeniería Térmica
fueron realizados en la edad media y el renacimiento.
En los siglos XVII y XVIII aparecen las primeras máquinas de vapor, con ellas se inicia la
Revolución Industrial y su desarrollo no se ha interrumpido hasta ahora, por lo que resulta
evidente que es una verdad ineludible aquella frase de que "El desarrollo de una
civilización está en relación directa con su capacidad de dominar e industrializar el fuego".
Característica general de todo proyecto técnico es tener una materia prima a la que se
dedica a transformar, con el propósito de hacerla trabajar en diversas condiciones, se hace
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necesario entonces y es de fundamental importancia, conocer las características físico
mecánicas de ésta, para proyectar un equipo que aproveche al máximo las posibilidades y
respete las limitaciones, de lo que hoy se denomina como fluido de trabajo. En el presente
proyecto se empleará agua potable la que se convertirá en vapor en la caldera y mediante
un sistema de conducción será llevada al baño sauna para su utilización.
1. EL AGUA
El antiguo pensamiento filosófico consideraba al agua uno de los cuatro elementos básicos
de la naturaleza: y no fue sino hasta el año de 1781 en que el químico británico Henry
Cavendish sintetizó agua detonando una mezcla de hidrógeno y aire. En 1783 el químico
francés Antoine Laurent de Lavoisier propuso que el agua era un elemento compuesto de
oxígeno e hidrógeno. Finalmente en el año de1804, el químico francés Joseph Louis Gay-
Lussac y el naturalista alemán Alexander von Humboldt demostraron conjuntamente que el
agua consistía en dos volúmenes de hidrógeno y uno de oxígeno.
Generalmente agua, es el nombre común que se aplica al estado líquido del compuesto
químico de hidrógeno y oxígeno cuya fórmula molecular es H2O. Se acepta que
geométricamente la molécula de agua es plana y tiene forma de V, formando un ángulo de
104° 28' = 105° como muestra la figura N0 1.2. Al estar unido cada átomo de hidrógeno
con un elemento muy electronegativo como el oxígeno, el par de electrones del enlace
estará muy atraído por éste. Estos forman una región de carga negativa, que polariza
eléctricamente a la molécula, la desigual distribución de carga consecuencia del mayor
efecto atractivo del oxígeno sobre los electrones del enlace, le da el carácter de polar. Esta
cualidad polar explica el fuerte enlace entre las moléculas.
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Fig. N° 1.2 Molécula de Agua
1.1.Características Físicas
El agua se emplea en la fabricación de papel; en procesos textiles; como disolvente; como
refrigerante industrial; en procesos de hidrólisis; en sistemas hidráulicos; como fuente de
energía y como generadora de vapor, algunas de sus constantes físicas se muestran en la
tabla N° 1.1
Masa molecular [uma] 18,6
Punto de fusión a 1 atm. de presión [°C] 0
Punto de ebullición a 1 atm. [°C] 100
Densidad en estado sólido a 0 °C [g/cm3] 0,915
Densidad en estado líquido a 0 °C [g/cm3] 0,99987
Densidad en estado líquido a 4 °C [g/cm3] 1,00
Densidad en estado líquido a 100 °C [g/cm3] 0,9583
Calor de fusión [Kcal / mol] 9,719
Temperatura crítica [°C] 374,1
Presión crítica [atm] 217,7
Tabla N° 1.1 Constantes físicas del agua
Fuente: La Enciclopedia SALVAT, Volumen 1, Pág. N° 209
Como muchos otros líquidos, el agua puede existir en estado sobre enfriado, es decir, que
puede permanecer en estado líquido aunque su temperatura esté por debajo de su punto de
congelación; como ejemplo se cita el hecho de que se la puede enfriar fácilmente a unos
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25°C bajo cero sin que se congele. El agua sobre enfriada se puede congelar agitándola,
descendiendo más su temperatura o añadiéndole un cristal u otra partícula de hielo. Debido
a que es un elemento tan difundido en la naturaleza, sus propiedades físicas se utilizaron
como patrones para definir, la unidad de masa, y las escalas de temperatura.
El agua es la única sustancia que existe a temperaturas ordinarias en los tres estados de la
materia, sólido, líquido y gas. En la naturaleza existe como sólido o hielo, el que se
encuentra en los glaciares y los casquetes polares, así como también en forma de nieve,
granizo y escarcha en el invierno, y en las nubes formadas por cristales de hielo. Existe en
estado líquido en las nubes de lluvia formadas por gotas de agua, y en forma de rocío en la
vegetación. Además, cubre las tres cuartas partes de la superficie terrestre en forma de
pantanos, lagos, ríos, mares y océanos. Como gas, o vapor de agua, existe en forma de
niebla, vapor y nubes. El vapor atmosférico se mide en términos de humedad relativa, que
es la relación de la cantidad de vapor de agua en el aire a una temperatura dada respecto a
la máxima que puede contener a esa temperatura.
1.2.Características Químicas.
El agua, componente principal de la materia viva, constituye del 50 al 90% de la masa de
los organismos vivos. El protoplasma en las células vivas, es una disolución de grasas,
carbohidratos, proteínas, sales y otros compuestos químicos similares en agua, donde actúa
como disolvente transportando, combinando y descomponiendo químicamente esas
sustancias. La sangre de los animales y la savia de las plantas contienen gran cantidad de
agua.
Desempeña también un papel importante en la descomposición metabólica de moléculas
tan esenciales como las proteínas y los carbohidratos. Este proceso, llamado hidrólisis, se
produce continuamente en las células vivas.
Desde el punto de vista químico propiamente dicho, el agua es un compuesto estable: es
ampliamente conocida la característica que su vapor no empieza a disociarse hasta los
1300 °C. Pero puede descomponerse por la acción de los cuerpos que se combinan
fácilmente con alguno de sus elementos, tal como lo hacen el flúor, el cloro y el bromo.
También la descomponen los metales alcalinos y los alcalinotérreos, así mismo produce
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reacciones de hidrólisis descomponiendo sales de ácidos débiles, esteres, etc. Actualmente
el agua es considerada uno de los agentes ionizantes más conocidos, puesto que se observa
que todas las sustancias son de alguna manera solubles en agua, debido a esta
característica, se le conjetura frecuentemente como el disolvente universal. El agua
combina con ciertas sales para formar hidratos, reacciona con los óxidos de los metales
formando ácidos y actúa como catalizador en muchas reacciones químicas importantes.
Respecto de la pureza del agua se puede afirmar que el agua de la lluvia es bastante pura,
pues apenas contiene sales minerales en disolución, pero en el agua corriente de lagos y
ríos las impurezas que suelen encontrarse figuran las sales de calcio y magnesio, como
bicarbonatos, sulfatos y nitratos, etc. El agua que contiene sales de calcio y de magnesio en
proporción excesiva (más del 0.05%) se llama agua dura.
El agua está presente también en la porción superior del suelo, en donde se adhiere, por
acción capilar, a las partículas del mismo. En este estado, se le denomina agua ligada y
tiene unas características diferentes del agua libre. Por influencia de la gravedad, el agua se
acumula en los intersticios de las rocas debajo de la superficie terrestre formando depósitos
de agua subterránea.
Existen muchas propiedades muy significativas del agua que no se citan en el presente
estudio, esto se debe a que son características que no contribuyen significativamente a la
solución del problema técnico planteado, el comportamiento secuencial del agua frente a la
adición de una fuente de energía calorífica, constituye el propósito fundamental del
presente proyecto, para conceptuar, comprender y establecer aplicaciones industriales de
este proceso y fenómeno se recurre al estudio y aplicación de la Termodinámica del agua.
1.3.Procesos Termodinámicos Del Agua
En el presente estudio se considera el agua potable disponible en la red, como una
sustancia pura, es decir que se desechan las consideraciones de dureza propias del agua, de
la mayoría de las regiones del Ecuador. A partir de esta estimación y conceptualización se
analizará el proceso termodinámico mediante el cual el agua se transforma en vapor
mediante la adición de calor, se hace por tanto necesario el estudio de las propiedades
termodinámicas de la sustancias puras.
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Es evidente que la termodinámica proporciona un gran número de ecuaciones que
relacionan las propiedades de las sustancias. Las propiedades dependen de la naturaleza de
la sustancia y difieren de una sustancia a otra. En ningún sentido la termodinámica es un
modelo o descripción del comportamiento de la materia; en vez de esto, su utilidad
depende de la disponibilidad de valores experimentales o teóricos de un mínimo número de
propiedades. A partir de datos apropiados, la termodinámica permite el desarrollo de un
conjunto completo de valores de las propiedades termodinámicas mediante las cuales se
pueden calcular los efectos de calor y de trabajo en los diversos procesos y determinar las
condiciones de equilibrio en distintos sistemas.
1.4.Sistemas Presión vs. Temperatura
Los sistemas P v T, son aquellos que están constituidos por sustancias puras, es decir
materiales en los que la composición química es homogénea y permanece invariable
aunque se presenten en diferentes fases; el nombre de P v T hace relación a que las
variables más significativas en el sistema son la presión el volumen específico y la
temperatura.
Por varios años la ciencia y la industria han almacenado datos de los más importantes
gases y líquidos. Estos datos pueden ser presentados en forma de funciones matemáticas:
P = f(v,T), a las que se las conoce como ecuaciones de estado, las que generalmente se
expresan en forma tabular, gráfica y analítica, el gráfico de la función P = f (v,T) es una
superficie en el espacio tridimensional, como la que muestra la figura N° 1.3.
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Fig. N° 1.3 Diagrama de fase para el agua (Fuente: Frank Kreith Mechanical Engineering
Handbook)
La figura N° 1.4 muestra la proyección de la superficie espacial en el plano temperatura -
presión, a esta curva generalmente se conoce como diagrama de fase, la temperatura a la
cual tiene lugar la evaporación o cambio de líquido a vapor se denomina temperatura de
saturación, a esta temperatura corresponde una presión dada que se conoce como presión
de saturación, para cada sustancia las diferentes presiones de saturación, tienen diferentes
temperaturas de saturación. La proyección de la superficie termodinámica sobre el plano
presión volumen se muestra en la figura N° 1.5
Fig. N° 1.4 Proyección Lateral del Diagrama de Fase para el Agua (Fuente: Frank Kreith
Mechanical Engineering Handbook)
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En la figura N° 1.5 la curva central continua, la parte que va desde A hasta C se denomina
curva del líquido saturado o "Línea de Líquidos" y la sección desde C hasta B la curva del
vapor saturado. El área bajo la curva ACB representa la región de dos fases donde
coexisten en equilibrio el líquido saturado y el vapor saturado. El punto C es el punto
crítico cuyas coordenadas son Pc y vc, En la figura se incluyen varias isotermas o líneas de
temperatura constante.
La isoterma crítica a temperatura Tc pasa por el punto crítico. Las isotermas de
temperaturas más altas T1 y T2, están sobre la isoterma crítica.
Las isotermas de temperaturas más bajas están por debajo de la crítica, están formadas por
tres secciones, la región superior al punto crítico donde son curvas continuas casi paralelas
al eje de la presión y cuyo comportamiento se asemeja al de un gas perfecto, atraviesan la
región líquida y son muy empinadas, debido a que los líquidos no son muy compresibles;
es decir, se necesitan grandes cambios de presión para efectuar un pequeño cambio de
volumen.
Fig. Nº 1.5 Curva Presión – Volumen para el Agua (Fuente: Frank Kreith Mechanical
Engineering Handbook)
La región central que pasa por la zona de dos fases en la que, se consideran son superficies
regladas, esto quiere decir que están formadas por rectas paralelas al eje del volumen
específico. El paralelismo de las isotermas se debe a que las mezclas en equilibrio de
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líquido y vapor a una temperatura fija tienen una presión fija, la presión de vapor
independientemente de las proporciones de líquido y vapor.
Los puntos situados a lo largo de esta línea horizontal representan diferentes proporciones
de líquido y vapor, comprendidas desde líquido únicamente a la izquierda, hasta vapor
únicamente a la derecha.
Las secciones de las isotermas situadas a la derecha de la línea de vapor saturado CB están
en la región de vapor. El vapor en esta región se denomina vapor sobrecalentado para
distinguirlo del vapor saturado y seco que se ocasiona en la línea CB
1.5.Cambio De Fase
Siempre que se cruza una de las curvas de la figura N° 1.3 ocurre una transición o cambio
de fase, y de este diagrama es evidente que los cambios de fase de las sustancias puras
suceden a temperatura y presión constante. Sin embargo, las funciones termodinámicas
extensivas cambian bruscamente como resultado de una transición de fase. Así el volumen
del líquido saturado es muy diferente al correspondiente al vapor saturado a las mismas
presión y temperatura. De una transición de fase resultan también cambios discretos de
energía interna, entalpía y entropía. La excepción es la función de Gibbs, que no cambia
durante la fusión, vaporización, sublimación, o una transformación alotrópica que suceda a
temperatura y presión constantes.
De acuerdo con lo expuesto y teniendo en cuenta que un cambio de fase representa una
transición entre dos fases que coexisten en equilibrio, se aplica la fórmula 1.1 al proceso de
cambio:
¿
Para una sustancia pura, Presión y Temperatura son realmente constantes, y de acuerdo con
la fórmula 1.1 la función total de Gibbs en el sistema cerrado en el cual sucede la
transición, también debe ser constante. Esto únicamente pude ser verdadero si la función
molar de Gibbs es la misma para ambas fases. Así para las dos fases coexistentes, a y P, de
una sustancia se debe tener la expresión dada por la fórmula 1.2
dGa=dGp
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La función termodinámica de Gibbs se puede definir mediante la fórmula 1.3:
G=G (P ,T )=U+PV – TS
donde:
G = Función de Gibbs
P = Presión
T = Temperatura
U = Energía Interna
S = Entropía
V = Volumen
En base molar, la derivada de la función de Gibbs se expresa mediante la fórmula 1.4
d (nG)=−(nS )dT +(nV )dP+∑ μ1 d n1
La fórmula 1.4 aplicada a un mol de material puro y homogéneo se reduce inmediatamente
a:
dG=−SdT +VdP
Sustituyendo la fórmula 1.5 en la 1.2 se obtiene:
−Sa dT +dP=−S β dT+dP
Trasladando términos la fórmula 1.6 se puede expresar mediante la fórmula 1.7
dPdT
= Sβ−Sa
V β−V a
Puesto que la presión en la fórmula 1.7 es siempre la presión de saturación en el límite
apropiado de fase, se puede hacer esto explícito, escribiendo Psat en lugar de P. Además
Sβ−Sa y V β−V a, que representan cambios de propiedad de la transición de fase, se
expresan más convenientemente como ∆ Sαβ y ∆ V αβ, y la fórmula 1.7 se puede escribir
como:
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dPdT
= ∆ Sαβ
∆V αβ
Una transición de fase que ocurre a Temperatura y Presión constantes, requiere un
intercambio de calor entre la sustancia tomada como el sistema y el medio que la rodea.
Cuando la transición se realiza reversiblemente este calor se denomina calor latente y es
igual al cambio de entalpía, lo que se puede expresar mediante la fórmula 1.9
Q=∆ Hαβ
Además para un proceso reversible a Temperatura constante, se puede escribir:
∆ Sαβ=QT
Al reemplazar la fórmula 1.9 en la 1.10 se tiene:
∆ Sαβ=∆ H αβ
T
La fórmula 1.11 involucra únicamente propiedades, por consiguiente no depende de la
suposición inicial, condición de reversibilidad del proceso hecha en su deducción, al
combinarla con la fórmula 1.8 se tiene la fórmula de Clayperon, que se expresa mediante la
fórmula 1.12
d P sat
dT= ∆ H αβ
T . ∆V αβ
La fórmula 1.12 se aplica a cualquier cambio de fase de una sustancia pura y relaciona la
pendiente de la curva límite de fase, presión temperatura, apropiada, a una temperatura y
presión dadas, con el cambio de entalpía al que también se conoce como calor latente y el
cambio de volumen de la transición de fase a las misma presión y temperatura.
La notación utilizada por la ingeniería térmica es la de las tablas de vapor de agua, la que
se empleará en el presente estudio, ya que se trabajará con el cambio de fase del agua en la
producción de vapor.
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En las propiedades termodinámicas del agua se emplea una amplia notación muy conocida,
en la que se emplea subíndices en lugar de superíndices para designar las fases saturadas y
subíndices dobles sin el prefijo A para denotar los cambios de fase, como indica la tabla N°
1.2
s = sólido saturado
f = líquido saturado (f; del alemán flüssig)
g = vapor o gas saturado
sf = fusión
fg = vaporización
sg = sublimación
Tabla N° 1.2 Subíndices para las tablas termodinámicas del agua (Fuente: Gordon J. Van
Wylen: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística)
Aplicando la notación de la tabla 1.2 a la fórmula 1.12 para la vaporización se tiene:
d P sat
dT=
H fg
T .V fg
=Hg−H f
T (V g−V f )
En la fórmula 1.13 se pueden introducir una aproximación razonable para los procesos de
vaporización, a ésta generalmente se conoce como asunciones de ingeniería o parámetros
de proyecto. Para el proceso de vaporización a baja presión se supone que la fase vapor es
un gas ideal y que el volumen molar de la fase condensada, volumen molar del líquido
saturado es despreciable comparado con el volumen molar de la fase vapor.
En el caso de la vaporización si se considera que el volumen del vapor es mucho mayor
que el volumen de líquido se puede escribir la fórmula 1.14
V g≫V f ⇒V g−V f ≅V g
De acuerdo con la fórmula 1.14, la fórmula 1. 13 puede ser reescrita como:
d P sat
dT=
H fg
T .V g
Aceptando que el vapor es un gas ideal se puede escribir:
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V g=R .T
P sat
donde:
R = constante universal de los gases Al reemplazar 1.16 en 1. 15 se tiene:
d P sat
dT=
H fg
R .T 2
P sat
Despejando la entalpía en la fórmula 1.17 se tiene:
H fg=−R d(lnP¿¿ sat )
d ( 1T )
¿
La fórmula 1.18 se denomina Ecuación de Clausius-Clayperon y permite la determinación
de un valor aproximado del calor latente a partir únicamente de los datos de la presión de
saturación, no se requieren datos volumétricos.
De la fórmula 1.18 se puede expresar que el valor de Hfg se obtiene de la pendiente de una
gráfica de Ln Psat en función de 1/T. Sin embargo es un hecho que tal gráfica construida a
partir de datos experimentales produce líneas que son casi rectas, de lo cual se deduce que
el calor latente de vaporización Hfg es independiente de la temperatura. Esto se aleja de la
realidad. En efecto Hfg debe hacerse cero en el punto crítico, donde las fases se vuelven
idénticas. La inconsistencia se presenta por que la fórmula 1.18 se basa en suposiciones
que tienen validez aproximada únicamente a bajas presiones, esto es a presiones muy por
debajo de la presión crítica considerada. Los valores de presión a utilizarse en el presente
proyecto son relativamente bajos comparados con la presión crítica del Agua 3203.6 PSI.
2. VAPOR DE AGUA
Cuando el agua por efecto de la adición de calor se transforma en vapor se convierte en
una sustancia gaseosa, pero la transformación no es instantánea sino que existe un tiempo
en que coexisten las dos fases la líquida y el vapor saturado, en estas condiciones muchos
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tratadistas le llaman vapor húmedo a la mezcla, este vapor presenta las clásicas dificultades
de una mezcla para ser bombeado, por ello en los casos de turbinas y maquinaria se
prefiere un vapor que no contenga líquido, para conocer cuánto de líquido existe en un
vapor, se analiza una relación matemática conocida como la calidad del vapor.
Calidad del vapor
La calidad también conocida como fracción másica o título del vapor es la razón de la
masa de vapor a la masa total, se puede expresar mediante la fórmula N°1.19
x≡mg
mt
=mg
m g+mf
donde:
x = calidad del vapor
mg = masa del vapor
mt = masa total de la mezcla
mf = masa del líquido
≡ = símbolo para indicar definición
En la figura N° 1.6 se puede advertir que para los puntos situados sobre la línea de
liquidus, la masa del vapor saturado es nula, mientras que la masa del líquido saturado es
grande, aplicando esta condición a la fórmula 1.19 se tiene:
x= 00+mf
=0
La fórmula 1.20 indica que el valor de la calidad es cero cuando se está sobre la línea de
líquidos AC y, para cuando se está sobre la línea de vapor CB, la masa del líquido se hace
cero y solo existe la masa del vapor, reemplazando esta condición en la fórmula 1.19 se
tiene:
x=mg
mg+0=1
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A partir de la fórmulas 1.20 y 1.21, se puede afirmar entonces que el valor de la calidad de
un vapor va de cero hasta uno.
Fig. N° 1.6 Volúmenes Específicos para el Cambio de Fase del Agua (Fuente: Gordon J.
Van Wylen: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística)
v≡V t
mt
=V g+V f
mg+mf
⇒v ≡V f
mg+mf
+V g
mg+mf
El volumen total del líquido en el sistema así como el volumen total del vapor, de acuerdo
con la fórmula 1.22 se pueden expresar de la siguiente forma:
V t=v f mf
V g=v g mg
Reemplazando las fórmulas 1.23 y 1.24 en la fórmula 1.22 se tiene:
v=v f mf
mg+mf
+vg mg
mg+mf
v=( v f mf
mg+mf) (
1mf
)( 1mf
)+( vg mg
m g+mf) (
1mg
)( 1
mg)
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v=v f
1+mg
mf
+v g
mf
mg
+1
Multiplicando numerador y denominador de la fórmula 1.19 por el inverso de la masa de
vapor se tiene:
x= 1mf
mg
+1
Despejando en la fórmula 1.27 el cociente de las masas de líquido y vapor se tiene:
mf
mg
=( 1x−1)
Para encontrar el cociente entre las masas de vapor y líquido, se toma el inverso de la
fórmula 1.28
mg
mf
= 11x−1
Al reemplazar las fórmulas: 1.28 y 1.29 en la 1.26 y realizando las operaciones algebraicas
se tiene:
v=v f (1−x )+x . v g
Destruyendo el paréntesis en la fórmula 1.30 y efectuando operaciones algebraicas se
tiene:
v=v f +x . v fg
Donde:
v fg=v f +vg
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2.1.Vapor húmedo
Cuando el vapor se encuentra dentro del área de la campana se conceptúa que el vapor es
un vapor saturado o húmedo, es decir que existe una mezcla de vapor y líquido. El vapor
de agua puro es un gas invisible, con frecuencia, no obstante, cuando el agua hierve, el
vapor arrastra minúsculas gotas de agua, y puede verse la mezcla blanquecina resultante.
Un efecto similar tiene lugar cuando se expulsa vapor de agua seco a la atmósfera, más
fría. Parte del vapor se enfría y se condensa formando las familiares nubes blancas que se
ven cuando hierve una cazuela en la cocina. En estos casos se dice que el vapor está
húmedo.
Industrialmente el vapor saturado es considerado una mezcla que presenta dificultades para
ser bombeada, la condición de que existan cantidades de agua que generalmente se
presentan en forma de pequeñas esferas líquidas le dan la característica de corrosiva a esta
agua, tal es el caso del fenómeno de la cavitación que se presenta especialmente en la
turbinas de generación eléctrica en las que se prefiere vapor que no contenga agua en su
interior.
Para el presente proyecto, teniendo en mente el ahorro energético, se prevé que el empleo
de vapor de muy alta energía no es necesario, ya que la presión en el interior del generador
debe ser solo la suficiente para que le permita llegar mediante las cañerías al baño sauna,
además su utilización debe considerarse fundamentalmente como un medio de
calentamiento.
2.2.Vapor saturado y seco
Cuando por efecto de la adición de calor toda la masa de líquido se ha transformado en
vapor, se dice que vapor es saturado y seco para distinguirlo del vapor que contiene
humedad, en las figuras N° 1.4 y 1.5 se puede advertir que la línea horizontal de la presión
constante corta la línea de vapor CB, por lo general el vapor saturado y seco por su
condición de gas es más fácil de ser transportado y bombeado, no presenta las
características de la mezcla de las dos fases, en este caso la calidad vale 1 y el volumen
específico es el del vapor
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2.3.Vapor sobrecalentado
Cuando por efecto de la adición de calor el vapor traspasa la línea de vapor CB, figura 1.7,
éste entra en la región del vapor sobrecalentado, zona ubicada a la derecha de la línea de
vapor y bajo la temperatura y presión críticas. En la figura N° 1.7, la trayectoria DE, es una
recorrido caracterizado por la independencia de la presión y la temperatura, donde el
volumen específico es mucho mayor que el volumen del vapor saturado y seco. Este vapor
es muy apetecido en la producción industrial de energía eléctrica por que al no contener
agua, evita la cavitación de los álabes de las turbinas.
Fig. N° 1.7 Volumen Específico del Vapor Sobrecalentado (Fuente: Gordon J. Van Wylen:
Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística)
3. BAÑO SAUNA
Los vestigios de las estancias más antiguas dedicadas exclusivamente al baño hallados
hasta el momento son las de la ciudad Hindú de Mohenjo-Daro, cuya fecha es anterior al
2000 a.C. También han aparecido instalaciones de este tipo en el palacio de Cnosos, en la
isla griega de Creta, construidas aproximadamente entre 1700 y 1400 a.C., y en la ciudad
real de Egipto Tell el- Amarna, edificada hacia el año 1350 a.C.
Las pinturas decorativas sobre ánforas de la antigua Grecia revelan la existencia de
artefactos primitivos similares a las duchas, y Homero habla en la Iliada de tinas para
bañarse. Las termas primitivas eran tan sólo dependencias de los gimnasios y disponían
únicamente de agua fría, pero hacia finales del siglo V a.C. se empezaron a convertir en
complejas instalaciones independientes, situadas por toda la ciudad, que ofrecían baños de
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vapor y piscinas (albercas) mixtas de agua caliente, templada y fría. En Grecia y Roma el
baño se convertía a menudo en un complicado ritual de cuidados corporales, que incluía la
práctica de ejercicio, masajes con aceites especiales, una sucesión de baños a diferentes
temperaturas, la limpieza a fondo de la piel y al final un nuevo ungimiento con cremas u
otros afeites.
El baño de sauna tiene su origen secular en las zonas del Báltico. Su objeto era
inicialmente combatir las consecuencias de las bajas temperaturas que los habitantes de la
zona sufrían, sobre todo en la época invernal. Con el transcurrir del tiempo y superada la
necesidad de protegerse del clima propio de la zona debido a los avances técnicos, la sauna
se había convertido en un ritual o especie de ceremonia familiar muy efectiva para alcanzar
el bienestar y relajación física y psíquica necesaria en toda sociedad moderna.
Hoy día, la sauna es considerada en los países que conforman esta zona, principalmente
FINLANDIA y SUECIA, como elemento esencial de toda actividad cuyo fin sea encontrar
ese bienestar físico. Es así mismo considerada una terapia fundamental de relajación
mental.
Dadas estas particularidades, en estos países, y también en aquellos donde el desarrollo
social es alto, el uso de la sauna se ha ido extendiendo de forma espectacular, hasta el
punto en que, en algunas zonas, buena parte de las viviendas están equipadas con este
elemento terapéutico.
Como se ha visto, el objeto de la sauna es la relajación y el bienestar físico y mental y,
aunque tiene toda una serie de efectos positivos para el organismo, su efecto principal no
es la pérdida de peso, aunque siempre lo impulsa si se acompaña de un régimen
hipocalórico adecuado.
En Escandinavia, donde no llegó la romanización pero el cristianismo tardó en imponerse,
se generalizaron una especie de baños de vapor, cuyo origen se remonta a los pueblos de
las estepas euroasiáticas. Para ello cada hogar contaba con una instalación, llamada sauna,
que consistía en una pequeña habitación de madera con un banco a lo largo de las paredes.
En ella se podía lavar toda la familia, tonificar la piel mediante suaves golpes con ramas de
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abedul, aclararse en agua templada y terminar con un baño de agua helada para activar la
circulación sanguínea.
La Real Academia de la Lengua Española define a la Sauna como: (Del finés sauna). f.
Baño de vapor, en recinto de madera, a muy alta temperatura, que produce una rápida y
abundante sudoración, y que se toma con fines higiénicos y terapéuticos. Existe también el
baño turco que es de la misma manera un proceso de limpieza corporal, pero que se
diferencia en algunos aspectos.
Una alternativa a la sauna que cada vez recoge más adeptos es el baño turco también
conocido como hamam. Las versiones que se pueden encontrar en América raramente
coinciden con la fórmula original, que destinaba un edificio para albergar el hamam y su
sistema de salas de calor dotadas de diferentes temperaturas: la primera, a 45° grados; la
segunda, a 55° y la tercera, a 70°, así respetan los cuatro elementos básicos: el calor seco,
el calor húmedo, el frío y el masaje. Estos elementos estimulan y limpian el cuerpo además
de mejorar la salud de forma parecida a la sauna, pero no hay duda que resulta menos
impactante.
3.1.Características Generales De Un Baño Sauna
Reza un proverbio vikingo que en la sauna se evapora hasta la ira. Y es que este medio de
relajación ofrece incontables ventajas: desintoxica la piel, purifica el organismo, dilata los
bronquios, regula la presión sanguínea, mejora el ritmo cardíaco y circulatorio.
Los baños de vapor eran una costumbre muy difundida entre turcos y romanos y todavía
hoy, como en aquellos tiempos, el ser humano sigue beneficiándose de sus numerosas
propiedades para mejorar la calidad de vida y alcanzar un estado físico y psíquico
armónico. Con el baño de vapor se consigue, como principal beneficio, una distensión total
de los músculos que ayudan a aliviar el estrés y a limpiar, depurar e hidratar nuestra piel de
suciedad y toxinas.
Al dilatar los poros, el vapor permite una limpieza profunda y duradera de la piel, dejando
la epidermis lisa y aterciopelada. El vapor caliente y húmedo contribuye, a combatir los
problemas de las vías respiratorias: garganta, nariz y bronquios reciben efectos muy
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beneficiosos. Por otro lado, al desarrollar un efecto calmante sobre el sistema nervioso,
permite una total relajación.
Sin embargo, para obtener el máximo provecho y evitar posibles riesgos se debe conocer
muy bien su funcionamiento. Desde el momento en que se ingresa en la sauna, el cuerpo
experimenta una serie de reacciones. Las primeras son la transpiración y la hidroforesis
(apertura de los poros de la piel). Como consecuencia se produce la eliminación de toxinas
y una limpieza de la epidermis en profundidad. Después, la elevada temperatura y el grado
de humedad estimulan el riego sanguíneo y la regeneración de las células, lo que significa
que la sauna puede ayudar a aliviar varias enfermedades cutáneas y respiratorias. La
concentración de calor resulta también positiva para el sistema cardiovascular, dado que el
corazón, al adaptarse a la vasodilatación, bombea más fuerte lo que favorece la circulación.
De igual modo, las altas temperaturas influyen en las terminaciones nerviosas, provocando
una ralentización de los impulsos sensitivos que van de la piel al cerebro. Resultado: el
individuo experimenta una relajación, en la que radica el efecto antiestrés de la sauna.
La sauna puede resultar ser peligrosa para quienes padecen determinadas enfermedades del
corazón, ya que sudar abundantemente provoca que se concentren también los fluidos
corporales, por lo que la sangre se torna más densa y esto puede provocar un ataque
cardiaco. Por ello, los especialistas recomiendan tanto en caso de hipertensión como en
personas cardiópatas consultar con el médico la conveniencia o no de acudir a una sauna.
Asimismo, hay estudios médicos que advierten de que el abuso de las sesiones de sauna
puede ser perjudicial para la vida sexual. Esta conclusión se fundamenta en que el calor de
una sauna puede reducir drásticamente la cantidad y calidad del semen masculino, y en el
caso de las mujeres, ocasionar fuertes hemorragias menstruales e incluso el interrumpir la
ovulación. Otro dato muy importante arrojan estudios realizados en EEUU, que
demuestran que los bebés nacidos de mujeres que utilizan la sauna con frecuencia
presentan el doble de probabilidades de padecer espina bífida, a consecuencia del excesivo
calentamiento del útero. Por ello, se advierte de que la mujer embarazada no debe acudir a
saunas y quienes planeen quedarse embarazadas deberían limitar cada sesión a 15 minutos
entre periodos de enfriamiento. Existen dos tipos primordiales de baños sauna.
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3.2.Sauna Húmeda o Baño Turco
El baño turco o hamam es un baño de vapor caliente que oscila sobre los 55 °C con un
humedad relativa que ronda el 100%. Suelen ser salas herméticas donde se mantienen esas
condiciones.
Originalmente es un sistema de salas de calor a diferentes temperaturas. Son tres salas que
se escalonan en su temperatura, la primera esta a 25 °C, la segunda a 40 °C y la tercera a
casi 60 °C. Se combinan calor seco y calor húmedo con frío y masajes proporcionando
unos beneficios muy parecidos a los de la sauna finlandesa aunque con menos exigencias e
impacto.
Las exigencias físicas son importantes. Está contraindicado a las personas hipertensas o
con trastornos circulatorios o cardiacos. Siempre hay que realizar una consulta médica
antes de comenzar a utilizarlos.
3.3.Sauna Seca o Finlandesa
La sauna seca es de origen finlandés y esta práctica es muy habitual en Escandinavia,
donde la temperatura en el interior llega a 70 a 100 °C y la desnudez es natural y casi
obligatoria. El interior de las saunas secas está revestido de madera y las cabinas de sauna
están calentadas por leña o electricidad.
Los motivos higiénicos están presentes en los orígenes de la sauna, en todos los
documentos tanto escritos como orales hay referencia exclusiva a la misma. El concepto de
higiene de sauna hace referencia a la eficacia de la sauna en conseguir una higiene de la
piel muy eficiente prácticamente sin jabón. La transpiración que se produce, muy
profunda, hace que se abran todos los poros y que se elimine el sebo, las toxinas y las
bacterias.
Beneficios terapéuticos de la sauna
Mejoría de la circulación. A medida que el corazón acelera sus latidos para llevar
sangre hasta la superficie de la piel con el fin de enfriarla, la velocidad circulatoria
elimina más deprisa los productos de desecho del cuerpo.
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Mejoría de la respuesta del sudor. El cuerpo caliente respira para enfriarse,
entrenando las glándulas sudoríferas y manteniendo funcional la respuesta del
sudor para favorecer la regulación termal fuera de la sauna, especialmente durante
el ejercicio y el tiempo cálido.
Eliminación de toxinas. Se sabía que en la sauna se elimina minerales del cuerpo,
pero su papel de ayudar a la expulsión de toxinas era desconocida, hasta que se
efectuó un análisis y la lista de plomo expulsado durante una sesión de sauna
resultó impresionante. Es cierto que los minerales positivos para el organismo
también se eliminan cuando sudamos mucho, por lo que debemos asegurar su
reemplazo con una dieta sana y no arriesgarnos a perder líquidos que no nos
sobran.
Alivio del dolor. La combinación de calor corporal, mejoría de la circulación,
emisiones de endorfinas y calentamiento de las articulaciones rígidas alivia el dolor
y las molestias. Un cuerpo caliente también es menos sensible al dolor.
Ayuda para el sueño. Al relajar el cuerpo y eliminar muchos de los dolores, la
sauna nos permite dormir mejor.
Mejoría de la función cardiovascular. Los investigadores japoneses dicen que el uso
de la sauna puede ayudar a las personas con fallos cardíacos congestivos a mejorar
su eficiencia de bombeo cardíaco y el flujo sanguíneo. Su investigación utilizó una
sauna templada, a temperaturas de unos 60 grados.
Mejor respiración. Investigadores holandeses preocupados porque la sauna pudiera
producir bronco constricción (y dificultades respiratorias) descubrieron que sucedía
exactamente lo contrario. Comprobaron que los pacientes con enfermedades
pulmonares obstructivas mejoraban transitoriamente sus funciones pulmonares.
Alivio de la artritis. La sauna puede reducir los efectos de la artritis reumatoide.
Investigadores rusos descubrieron que la sauna ejerce un efecto positivo sobre el
sistema locomotor y el estado psicoemocional además de aliviar el dolor.
3.4.Propiedades Termodinámicas Del Vapor A Emplearse
El tipo de vapor a emplearse en el proyecto es un concepto que especifica básicamente la
calidad del mismo, es lógico suponer que no se empleará un vapor sobrecalentado por las
siguientes consideraciones: en primer lugar por el alto costo en combustible que implica su
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generación, una segunda observación pone de manifiesto que no se requiere un vapor de
alta energía, es decir con alta entalpía como el que se requiere para mover los álabes de una
turbina.
El proyecto requiere un vapor saturado con una calidad entre el líquido saturado y el vapor
saturado y seco, que posea una presión suficiente para permitirle fluir por las tuberías y
llenar el cuarto de la sauna calentando el aire del mismo. "Cerciórese de que la temperatura
de la sauna es adecuada (entre 80 y 90 °C) para que la piel alcance los 39-40 grados,
mientras se mantiene el interior del cuerpo entre 38 y 38.5°C".9
Evidentemente se procurará que la presión y temperatura del vapor sean las mínimas
posibles, para que la lámina de acero con la que se construirá el recipiente del generador de
vapor no resulte muy gruesa y no eleve demasiado el costo del proyecto.
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CAPITULO II
PARÁMETROS DEL PROYECTO
Inicialmente se hace indispensable para la conceptualización del proyecto definir algunos
de sus parámetros
Fig. N° 1.8 Diagrama de Bloques del Proyecto
En la figura N0 1.8 se puede apreciar que el proyecto básicamente consta de un generador
de vapor o caldera, un depósito de vapor y el cuarto de la sauna, el volumen de éste es
inevitable determinar para proyectar la cantidad de vapor necesario para el proyecto.
Debido a condiciones económicas y tomando en consideración que en los proyectos tesis
de grado se construyen únicamente prototipos, los proponentes escogen un tipo de sauna
con capacidad para dos personas sentadas, el modelo y las dimensiones generales del
mismo se han tomado del Catálogo de Ventas año 2007 de la empresa española
PROEQUIP, y se muestran en la figura N0 1.9
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Fig. N° 1.9 Sauna Modelo Elegance 02 (Dimensiones: A = 80 cm., L= 100 cm., Al = 200
cm. Fuente: Catálogo PROEQUIP 2007)
De acuerdo con las dimensiones de la figura N° 1.9, sin considerar el cielo raso abovedado
la sauna tiene un volumen máximo de 1.60 m, el que se puede considerar como el volumen
de aire necesario a calentar en la sauna del proyecto, obviamente en este cálculo se han
despreciado los volúmenes de las bancas para sentarse y el de los cuerpos de las personas
que ingresan.
El tiempo durante el cual la sauna debe permanecer a la temperatura de operación (90 °C.)
es el indicado por la Ciencia Médica para este tipo de baño, los proponentes del proyecto
consideran la siguiente recomendación como válida "Lo normal es que de los 8-12 minutos
el cuerpo sienta ya ganas de refrigerarse. Y en ese momento hay que salir, sin tomar en
consideración si se ha transpirado lo suficiente o no. Las personas muy acostumbradas
pueden permanecer hasta 15 minutos, pero se recomienda descansar después de ese
periodo".10 Para los cálculos y diseño de la caldera se asumirá como parámetro de diseño
el tiempo de operación el máximo expresado: 15 minutos. Este dato permitirá calcular la
cantidad de energía calórica necesaria y por ende el flujo de vapor que el proyecto
requiere.
1. SISTEMAS DE CALENTAMIENTO
Para lograr el cambio de fase del agua es necesario añadir calor a la misma, la fuente de
calor, en la actualidad podrá provenir de la combustión del diesel, del gas licuado de
petróleo o del calentamiento de resistencias eléctricas, la selección del combustible a
emplearse es un parámetro crítico en el proyecto porque de él depende el costo de
operación del la sauna, la complejidad del diseño de la caldera y el sistema de control de la
misma.
Evidentemente se han despreciado otras fuentes de energía térmica como la combustión de
leña o carbón y la energía solar, las dos primeras son fuentes de energía que hoy en día son
muy difíciles de encontrar, la leña prácticamente se ha extinguido y el carbón existe
solamente para la preparación de parrilladas, es por tanto un combustible que no puede ser
considerado de fácil adquisición, además su elevado costo no lo hace rentable para el
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proyecto. El proyecto tesis en la carrera de Ingeniería Mecánica por otra parte debe ser
consecuente con las regulaciones ecológicas y evitar contribuir con el calentamiento
global.
La energía solar requeriría a priori de un reflector parabólico de gran tamaño, con costo
elevado y fiabilidad baja debido a la nubosidad casi constante en la región interandina del
país. Las tres fuentes de calor que se han escogido para el proyecto se consideran
combustibles. El término combustible se limita por lo general a aquellas sustancias que
arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo grandes cantidades de calor. Las reacciones
químicas de la combustión suponen la combinación del oxígeno con el carbono, hidrógeno
o azufre presentes en los combustibles. Los productos finales son dióxido de carbono, agua
y dióxido de azufre. Las demás sustancias presentes en los combustibles no contribuyen a
la combustión, pero salen en forma de vapor o permanecen después de la combustión en
forma de ceniza.
La eficacia del combustible, o capacidad calorífica, se mide normalmente en términos de
energía térmica (calor) desarrollada cuando una cantidad dada del combustible se quema
bajo condiciones estándar o patrón.
1.1.Diesel
Debido a que existe una gran variedad de combustibles líquidos en el mercado y siendo
muy extendido en nuestro país el uso del diesel y el bunker, como elementos combustibles
para calderas, se analiza a guisa de ejemplo teórico el diesel.
El combustible diesel es un derivado del petróleo, a su vez, éste es un aceite mineral que
contiene muchos hidrocarburos, sus características específicas tienen la propiedad que
varían considerablemente de un tipo a otro de producto. El petróleo se encuentra en el
subsuelo de algunos países del mundo, su identificación se la hace mediante comparación
con los petróleos de producción norteamericana."Los petróleos crudos de los campos
productores de Pensilvania - Nueva York, depositan al enfriarse un material de
consistencia similar a la cera, la parafina, se les conoce como petróleos de base de parafina.
Los petróleos de California y de la costa del Golfo contienen a veces materiales asfálticos
y se les llama con frecuencia petróleos en base de asfalto, pero es preferible usar el término
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base de nafteno, por que los petróleos de mejor clase o grado de este tipo contienen poco y
a veces nada de asfalto. Los petróleos de base intermedia, producidos en los campos de
centro América, tienen algunas características de los petróleos de base de parafina y de los
de base de nafteno. Aproximadamente el 85% de los petróleos crudos del mundo
pertenecen a las tres clases anteriores.
La mayoría de los hidrocarburos líquidos son mezclas de hidrocarburos que se obtienen del
petróleo crudo por medio de los procesos de destilación y desintegración a los que también
se denominan cracking. Por tanto, a partir del petróleo crudo se pueden producir una
variedad de combustibles diferentes, siendo los más comunes la gasolina, el kerosén, el
combustible diesel y el combustóleo o aceite combustible. Dentro de estas clasificaciones
hay una gran variedad de grados y cada uno de ellos está compuesto por un gran número
de hidrocarburos diferentes. La diferencia más importante entre estos combustibles es la
curva de destilación, que se muestra en la figura 1.10.
Fig. N° 1.10 Curva de Destilación Típica de algunos Combustibles (Fuente: Richard E
Sontang: Introducción a la Termodinámica Clásica y Estadística)
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1.1.1. Características del Diesel como Combustible
El aceite de gas (gas oil), debe su nombre al hecho de que alguna vez, en los primeros años
de su utilización en Inglaterra, se empleó en la preparación de gas de alumbrado, también
se lo llama fuel oil, combustible diesel o simplemente diesel, éste, básicamente constituye
una mezcla de hidrocarburos obtenida por destilación fraccionada del petróleo crudo. Tiene
varias aplicaciones industriales, se lo emplea como combustible para motores de
compresión a los que generalmente se denominan motores diesel, se destina también para
la generación termoeléctrica, la calefacción doméstica y la navegación.
El proceso básico al que se somete al petróleo crudo en una refinería para obtener el gas
oil, consiste en separarlo en sus principales componentes por medio del proceso químico
de la destilación fraccionada. El gas oil ligero es la fracción que hierve entre 230 y 300 °C
y contiene hidrocarburos con cadenas carbonadas de entre 13 y 17 átomos de carbono. El
gas oil pesado es la fracción que entre otras propiedades físico mecánicas, se inflama
exclusivamente por compresión y hierve entre 300 y 400 °C, además contiene
hidrocarburos que forman cadenas de hasta 25 átomos de carbono.
En las refinerías, por lo general, el gas oil producido mediante la destilación fraccionada,
pasa directamente a los depósitos de almacenamiento, aunque en algunos casos es
necesario eliminar el alto contenido de azufre; en otras ocasiones, parte del gasoil más
pesado pasa a la unidad de craqueo catalítico, donde se descompone en gasolina y gas,
productos con mayor demanda que el propio gas oil. La fracción pesada de la destilación se
conoce como bunker un material que también es utilizado para la generación de vapor, Las
características del combustible diesel varían muchísimo como se puede observar en la tabla
N° 1.3
PODER CALORÍFICO SUPERIOR [KJ / Kg] 43.02- 46.52
INTERVALO DE DESTILACIÓN 175 ° C - 400 ° C
COMPOSICIÓN ÚLTIMA
C: 85 - 88 %
H:15 - 10 %
Z : hasta 2 %
O y N combinados hasta 2%
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Tabla N° 1.3 Características del combustible diesel (Fuente: Lionel Marks: Manual del
Ingeniero Mecánico)
La amplia variedad de combustibles es consecuencia de la existencia de los numerosos
modelos de motores, en los que se establece que no todos pueden consumir cualquier
combustible cuyas características esté dentro de estos límites. Las normas ASTM D975, se
encargan de determinar las exigencias de combustible de alto grado con garantía de
comportamiento satisfactorio para cualquier motor, como se indica en la Tabla 1.4.
GRADO CARACTERÍSTICA
1 - DAceite combustible, destilado, volátil, para motores cuyo
servicio requiera cambios frecuentes de velocidad y carga.
2 - DAceite combustible destilado, de baja volatilidad, para
motores en servicio industrial o móvil pesado.
4 - D Aceite combustible para motores de velocidad baja y media
Tabla N°1.4 Grados del diesel (Fuente: Lionel Marks: Manual del Ingeniero Mecánico)
1.1.2. Proceso de Combustión del Diesel
"Al tratar de la combustión de combustibles líquidos es conveniente expresar su
composición en términos de un solo hidrocarburo, aún cuando ésta sea una mezcla de
varios. Así la Gasolina suele considerarse como si fuera el octano, C8Hi8 y el combustible
Diesel se considera que es el dodecano C12H26
El procedimiento de combustión del diesel hace necesario la utilización del quemador,
dispositivo que ayuda a producir la combustión dentro del hogar. "Dependiendo del
combustible a quemar, varían los sistemas de quemadores, para diesel N° 2 se necesita
únicamente atomizar por presión el combustible, pero si se tratara del bunker o diesel N° 6
por su viscosidad para poder atomizarlo y combustionarlo se necesita precalentarlo y
atomizarlo por medios mecánicos (presión) ayudándonos de una fuente de aire
comprimido".
La combustión se produce cuando la mezcla del combustible y el aire se realiza a
temperaturas elevadas. El aire entrega oxígeno, el cual se une químicamente con el
carbono, hidrógeno y unos pocos elementos del combustible para producir calor. La
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cantidad de aire necesario depende del tipo de combustible, del equipo, de las condiciones
de operación y ubicación, se cuantifica su valor por medio de un análisis teórico de
combustión, las recomendaciones del fabricante y por el trabajo efectivo a realizarse.
Demasiado aire trae como consecuencia una cantidad excesiva de gases calientes saliendo
por la chimenea con la correspondiente pérdida de calor. La falta de aire, implica que una
parte del combustible quede sin quemarse o se presente parcialmente quemado. Es muy
importante que la mejor proporción aire - combustible se determine y se mantenga para
asegurar un alto rendimiento. El aire y el combustible deben ser cuidadosamente
mezclados debido a que cada partícula de combustible deberá entrar en íntimo contacto
con el oxígeno que contiene el aire justo antes de que se produzca la combustión.
Si la distribución del aire es pobre habrá una cantidad de aire en exceso en algunas partes
del combustible y una deficiencia en otras, en este principio se basan los diseños para logar
una adecuada distribución de aire en la zona del quemador.
Los materiales que están en la naturaleza están en íntimo contacto con el aire, aún así, no
se puede decir que se están quemando. Realmente la reacción química de combustión se
realiza permanentemente, pero es tan lenta que tarda mucho tiempo para mostrar sus
productos, por eso se la denomina corrosión y no combustión. La corrosión del acero
cuando se expone a la atmósfera es un ejemplo de esta oxidación.
Cuando el material combustible alcanza su temperatura de ignición, la oxidación se acelera
y el proceso se denomina combustión. Por lo antes expuesto se ve la necesidad de
mantener la mezcla aire -combustible a una temperatura lo suficientemente alta como para
promover la combustión. Cuando la llama va en contacto con las paredes de un caldero
relativamente frío, las partículas de carbono son depositadas en forma de hollín. El diesel
como combustible tiene particularidades que se ponen de manifiesto en la tabla 1.5
ENSAYOMETODO
ASTM
GRADO DE
DIESELNORMA
MIL-F
16884-B1-D 2D 4-D
Límite
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PUNTO DE INFLAMACIÓN, mín.,
[°C]
D93-52 38 52 54 65
AGUA Y SEDIMENTO. máx.% en
volumen
D96-52T Traza
s
0,1 0,5 Trazas
VISCOSIDAD [SSU] a [38°C] D88-53
MÍNIMA 1,4 32 45 33
MÁXIMA 45 125 45
RESIDUO DE CARBÓN [%] en peso,
máx.
D524-52T 0,15 0,4 0,2
CENIZA [%] en peso, máximo D482-46 0,01 0 0,1 0,005
AZUFRE[%] en peso, máximo D129-52 0,5 1 2 1
Tabla N° 1.5 Especificaciones para los aceites combustibles diesel (Fuente: Lionel Marks:
Manual del Ingeniero Mecánico)
1.2.Gas Licuado De Petróleo
GLP es la abreviatura que se usa comercialmente para determinar a los "gases licuados del
petróleo", esta denominación es aplicada a diversas mezclas de propano y butano que
alcanzan el estado gaseoso a temperatura y presión ambiente, y que tienen la propiedad de
pasar a estado líquido a presiones relativamente bajas, propiedad que se aprovecha para su
almacenamiento, transporte y distribución en recipientes a presión.
Los GLP fueron descubiertos por primera vez en los Estados Unidos, durante los años
1900 y 1912 al observar que la gasolina natural no refinada tenía una gran tendencia a
evaporarse debido a la presencia de estos hidrocarburos ligeros. Los GLP se pueden
producir tanto a partir de la refinación del petróleo como del gas natural.
1.2.1. GLP en refinerías
El proceso de obtención de los GLP, empieza cuando el petróleo crudo procedente de los
pozos es llevado a una refinación primaria, en la que se obtienen diferentes destilados
como: gas húmedo, naftas o gasolinas, queroseno, gasóleos atmosféricos o diésel, y
gasóleos de vacío.
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Los gasóleos de vacío son la materia prima para la producción de gasolinas en los procesos
de destilación fraccionada catalítica, llamada simplemente craqueo catalítico o procesos
FCC, por sus siglas en inglés (Fluid Catalytic Cracking). En éstos mediante un reactor
primario a base de un catalizador a alta temperatura, se obtiene el GLP, gasolinas y otros
productos más pesados. Esa mezcla luego se separa en trenes de destilación.
1.2.2. GLP de gas natural
Se conoce como gas natural a una mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor
proporción el metano. Se utiliza como combustible para usos domésticos e industriales y
como materia prima en la fabricación de plásticos, fármacos y tintes.
En una muestra de gas natural es clásico que la proporción en la que el metano se
encuentra sea del 75 al 95% del volumen total, por este motivo se suele llamar metano al
gas natural. El resto de los componentes son etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de
carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón.
Aunque existen en la naturaleza yacimientos que proporcionan exclusivamente gas natural,
la producción de éste va mayoritariamente asociada al petróleo y sus yacimientos, ya que
sale a la superficie junto a él cuando se perfora un pozo. Sin embargo, el desarrollo del gas
natural se realizó con posterioridad al uso del petróleo. En los primeros tiempos de la
explotación petrolera y aun en la actualidad, el gas natural que aparece en las perforaciones
se quema como un residuo más, ya que, a pesar de su enorme poder calorífico, no se puede
aprovechar por los grandes problemas tecnológicos que plantea su almacenamiento y
transporte.
Antes de trasportar el gas natural, se lo opera mediante un proceso de destilación
fraccionada en las llamadas plantas despentanizadoras, donde separan el metano del resto
de hidrocarburos que lleva asociados, los que fundamentalmente van desde los etanos a los
pentanos.
Se debe tomar en cuenta el hecho de que el gas natural no puede ser licuado simplemente
bajo presión porque su temperatura crítica, 190 K (-83 °C), es muy baja, por tanto, debe ser
enfriado hasta temperaturas inferiores a ella antes de licuarse. Una vez licuado debe ser
almacenado en contenedores muy bien aislados, y su transporte se realiza por tuberías
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fabricadas con materiales y soldaduras especiales para resistir grandes presiones. Sin
embargo en algunos países el gas natural se utiliza como combustible doméstico e
industrial, porque además de su alto poder calorífico, su combustión es regulable y produce
escasa contaminación.
El GLP se caracteriza por tener un poder calorífico elevado y una densidad mayor que la
del aire. Para fines de los cálculos termodinámicos en la combustión se suele aproximarlo
tanto al propano como al butano que son sus componentes principales.
El propano químicamente hablando, es un compuesto orgánico, cuya molécula, saturada,
está compuesta por tres átomos de carbono y 8 de hidrógeno (fórmula C3H8) y la
estructura molecular que se muestra en la figura N° 1.11
Fig. N° 1.11 Estructura Molecular del Propano (Fuente: Richard Sontang: Introducción a la
Termodinámica Clásica y Estadística)
El butano es parecido al propano, salvo que su molécula, también saturada, está compuesta
por cuatro átomos de carbono y 10 de hidrógeno (fórmula C4H10). y la estructura
molecular que se muestra en la figura N° 1.12
Fig. N° 1.12 Estructura Molecular del Butano (Fuente: Richard Sontang: Introducción a la
Termodinámica Clásica y Estadística)
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Como se puede advertir a partir de las figuras 1.11 y 1.12 el propano y el butano
pertenecen a la familia parafínica de los hidrocarburos, la que se caracteriza por tener una
fórmula del tipo CnH2n+2, cadena saturada y los nombres de los compuestos todos terminan
en "ano".
Comercialmente hablando, cuando nos referimos a propano hablamos de una mezcla del
80% de hidrocarburos C3 y un máximo del 20% de hidrocarburos C4. Por su parte, lo que
se vende bajo la denominación butano es un líquido que consta de un mínimo del 80% de
hidrocarburos C4 y un máximo del 20% de hidrocarburos C3. Las proporciones anteriores
pueden variar en función de la aplicación que se dé al gas.
A presión atmosférica y temperatura ambiente (1 atmósfera y 20°C), el Gas Licuado de
Petróleo se encuentra en estado gaseoso. Para obtener líquido a presión atmosférica, la
temperatura del butano debe ser inferior a -0,5°C y la del propano a -42,2°C. En cambio,
para obtener líquido a temperatura ambiente, se debe someter al GLP a presión. Para el
butano, la presión debe ser de más de 2 atmósferas. Para el propano, la presión debe ser de
más de 8 atmósferas.
Un litro de líquido se transforma en 272,6 litros de gas para el propano y 237,8 litros de
gas para el butano. En su estado puro, tanto el butano como el propano son inodoros; sin
embargo, para hacerlos más fácilmente detectable en el caso de fugas, se les añade un
compuesto odorizador (sulfuro de mercaptano) que los hace perceptibles antes de que la
mezcla GLP-aire pueda ser explosiva.
Tanto el propano como el butano no son tóxicos, aunque al ser más densos que el aire
tienden a desplazarlo y pueden provocar la muerte por asfixia al impedir que el aire llegue
a los pulmones y oxigene la sangre. Desde el punto de vista de la ingeniería son materiales
combustibles cuya utilización es general, debido a que son fácilmente transportables,
envasables y su costo no es muy elevado con respecto a otros combustibles, los poderes
caloríficos se muestran en la Tabla 1.6
HIDROCARBURO MJ /Kg.
BUTANO COMERCIAL
Poder Calorífico Superior 45.79
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Poder Calorífico Inferior 49.68
PROPANO COMERCIAL
Poder Calorífico Superior 46.39
Poder Calorífico Inferior 50.45
Tabla N° 1.6 Poder calorífico (Fuente: Lionel Marks. Manual del Ingeniero Mecánico)
2. CALENTAMIENTO ELÉCTRICO
Una fuente para calentar el agua, constituyen las resistencias eléctricas, para el análisis
respectivo se deben conocer sus peculiaridades, lo que permitirá comparar con otros
sistemas de calentamiento y escoger la mejor alternativa.
2.1.Resistencias eléctricas
En variadas fuentes se encuentra que para el uso en reóstatos, hornos eléctricos, estufas y
calentadores es necesario un material resistente con alto punto de fusión y gran resistividad
eléctrica, que no se desintegre ni corroa a temperaturas elevadas. En su gran mayoría estas
condiciones son satisfechas por las aleaciones de níquel - cromo y las de cromo - níquel -
hierro, entre los materiales de mayor presencia en el mercado se encuentran los indicados
en:
MATERIAL COMPOSICIÓN
DE
NS
IDA
D R
EL
AT
IVA
Resistencia a 20°C
pQm
.
Coeficiente de resistencia
por temperatura, x 10-3 °C
-
INT
ER
VA
LO
DE
TE
MP
ER
AT
UR
A°C
TE
MP
ER
AT
UR
A
MÁ
XIM
A D
E T
RA
BA
JO
PU
NT
O D
E F
US
IÓN
°C
ADVANCE Cu 0,55; Ni 0,45; 8.9 0.40 0. 02 20 - 100 500 1210
COMET Ni 0,30;Cr 0,05;
Fe 0,65
8,15 0.95 0. 88 20 - 500 600 1480
BRONCE
COMERCIAL
Cu,Zn 8,70 0.042 2.0 0 - 100 1015
HYTEMCO Ni 0,50; Fe 0,50 8,46 0.20 4.5 20 - 100 600 1425
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MAGNO Ni 0,955; Mn
0,045
8,75 0.20 3.6 20 - 100 400 1435
MANGANIN Cu 0,84; Mn
0,12;Ni 0,04
8,19 0.482 0.
015
15 - 35 100 1020
METAL MONEL Ni 0,67; Cu 0,28 8,90 0.426 0. 1 20 - 100 4256 1350
NICROME Ni 0,60; Fe 0,25;
Cr 0,15
8,2471.12 0. 17 20 - 100 930 1350
NICROME V Ni 0,80; Cr 0,20 8,4121.08 0. 13 20 - 100 1100 1400
NÍQUEL PURO Ni 0,99 8,90 0.10 5.0 0 - 100 400 1450
PLATA Ag 10,500.01622 3.61 0 - 100 650 960
PLATINO Pt 21,450.10616 3.0 0 - 100 1200 1755
TUNGSTENO W 19,300.05523 4.5 3370
Tabla N° 1.7. Propiedades de los metales, aleaciones y materiales para resistencias
eléctricas. (Fuente: Lionel Marks, Manual del Ingeniero Mecánico Sec.15)
Entre los materiales expuestos en la tabla N° 1.7 destacan como más viables para el
proyecto el Hytemco, una aleación de níquel - hierro caracterizado por su alto coeficiente
de temperatura, que es usado ventajosamente donde se requiere autorregulación, como en
los calentadores de inmersión. También consta el Nicrome V, una aleación de níquel -
cromo exenta de hierro, que no es corrosiva, diamagnética, soporta temperaturas elevadas
y tiene alta resistividad. Se recomienda comúnmente como material para elementos de
calefacción en hornos eléctricos, calentadores de agua, estufas de cocina, calentadores de
radiación y dispositivos eléctricos de alta calidad.
2.2.Potencia eléctrica en circuitos resistivos
Al aplicar una tensión senoidal del tipo v = Vmsenωt y una corriente alternan también
sinusoidal de formula i = Imsenωt, aplicando la Ley de Ohm, se tiene que la potencia será
el producto del voltaje por la intensidad como lo indica la formula N° 1.33
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Fig. N° 1.13 Curvas de Voltaje, Corriente y Potencia
P=VI=V m I m sen2ωt
donde:
p= Potencia v = Voltaje I = Corriente Vm= Voltaje medio Im= Corriente media at =
Angulo de fase
Al aplicar la relación trigonométrica expresada por la fórmula N° 1.34 se tiene:
sen2 x=12
(1−cos2 x )
P=12
Vm
I m (1−cos2 x )
En este caso se puede observar que la frecuencia de la potencia es el doble de la
correspondiente a la tensión o la corriente. Además, la potencia es siempre positiva y varía
desde cero a un valor máximo Vm.im, característica de los circuitos resistivos puros.
La potencia eléctrica que consume una resistencia se expresa mediante la fórmula N° 1.36
3. CALDERAS
La definición elemental de caldera desde tiempos muy remotos, lleva a considerarla como
un dispositivo térmico utilizado para calentar agua o generar vapor a una presión superior a
la atmosférica. Un estudio más detallado establece que caldera es una máquina o
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dispositivo de ingeniería que está proyectado para generar vapor saturado, como resultado
de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en
estado liquido, se calienta y cambia de estado. En la literatura técnica contemporánea, el
término caldera es empleado para designar a:
Equipos de producción de vapor, que se destina a procesos o sistemas de
calentamiento
Dispositivos termo mecánicos que elevan la temperatura del agua, para que ésta
actúe como fluido de trabajo en diversas operaciones industriales.
Unidades calefactoras del aceite térmico que es utilizado como vehículo de
transporte del calor en procedimientos fabriles y manufactureros, aprovechando la
condición física de que la temperatura de ebullición del aceite es superior a la del
agua, lo que permite transportar mayores cantidades de calor
Desde el punto de vista de la Ingeniería Térmica, las calderas son un caso particular de los
intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase del fluido de trabajo.
Además se pueden considerar como recipientes a presión, por lo cual son construidas en
parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas.
Debido a la confusión que se produce entre los expresiones caldera y generador de vapor,
es conveniente dejar establecido que ellos, no son términos sinónimos, como podría
pensarse, la diferencia estriba en que mientras la caldera origina vapor saturado el
generador produce vapor sobrecalentado.
3.1.Breve Historia De Las Calderas
La primera mención de la idea de utilizar vapor para obtener energía aparece en La
pneumática, del inventor y matemático griego Herón de Alejandría, en el siglo I. Allí
describió su eolípila, 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
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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.
3.2.Tipos De Calderas
Las primitivas calderas consistían en un solo tambor, cilindro o cuerpo con un hogar
debajo. A éstas siguieron las modelos Lancashire de tambor horizontal con un hogar
interno, un esquema de la sección transversal de dichos elementos se muestra en la figura
N° 1.14
Fig. N° 1.14 Esquema de las Calderas tipo Lancashire (Fuente: LA LLAVE: Seminario de
Calderas 2002)
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Varios años después se añadieron los tubos de humos hoy conocidos como tubos de fuego,
formándose así la caldera tipo Marina Escocesa, en la que el combustible se quemaba en
dos o tres hogares internos separados y los gases se unían en una cámara común y
circulaban por los tubos de humos hasta la chimenea. El siguiente perfeccionamiento fue la
caldera tubular con retorno horizontal de llama, en la cual se situó el hogar bajo el tambor
y los gases pasaban por los tubos de humos una sola vez. La adición de la caja de fuego
enfriada por agua, produjo la familiar caldera del tipo Locomotora, la cual además de su
aplicación en las locomotoras, se ha empleado en instalaciones fijas y portátiles.
Las calderas principalmente se clasifican en función de que si por los tubos circula el agua
o los gases de combustión, así aparecen las Acuotubulares y las pirotubulares.
3.2.1. Calderas Acuotubulares
Son aquellas en las que el fluido de trabajo se desplaza a través de tubos durante su
calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten
altas presiones a su salida, y gran capacidad de generación.
La caldera se compone de dos colectores o domos a los que van a conectar todos los tubos
de la caldera, con dos o más columnas de circulación natural, según sea el tamaño de la
caldera.
La configuración de la caldera es de hogar de pared de tubos y retorno en la parte posterior
del hogar, para pasar al segundo paso y giro en la parte anterior para entrar en el tercer
paso de humos y de ahí la salida a la chimenea, como indica la figura N° 1,15
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Fig. N° 1.15 Caldera Acuotubular modelo CIT (Fuente: Folleto Técnico Calderería López
Hermanos S.A 2007)
Según el tamaño de la caldera, llevará uno o dos quemadores, con sus correspondientes
rampas de combustible y maniobra eléctrica independiente, teniendo la maniobra de
control de potencia de llama, tipo cascada para aprovechar al máximo las inercias térmicas.
Estas calderas por su configuración y diseño, permiten alcanzar presiones altas, que de otro
modo seria muy difícil conseguir por la legislación vigente sobre diseño de calderas, éstas
pueden alcanzar los 4.41 MPa o 44.1 bar.
3.2.2. Calderas Pirotubulares
Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustión de un
combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta bañado por el agua
de la caldera.
El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisión de calor por
radiación, y los gases resultantes, se les hace circular a través de los tubos que constituyen
el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conducción,
según sea una o varias las veces que los gases pasan a través del haz tubular, se tienen las
calderas de uno o de varios pasos, en el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de
ellos, los humos solo atraviesan un determinado número de tubos, cosa que se logra
mediante las denominadas cámaras de humos. Una vez realizado el intercambio térmico,
los humos son expulsados al exterior a través la chimenea, lo que se puede ver en las
figuras N° 1.16 y 1.17
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Fig. N° 1.16 Caldera Pirotubular con Movimiento Conductivo por las Paredes (Fuente: LA
LLAVE : Seminario de Calderas 2002)
Fig. N° 1.17 Caldera Pirotubular con Ductos para el Movimiento Convectivo del Agua
(Fuente: LA LLAVE : Seminario de Calderas 2002)
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 tambien contribuyen a la eficiencia del funcionamiento.
4. CORROSIÓN EN INSTALACIONES DE VAPOR
Los equipos que generan vapor están sometidos a procesos de oxidación electroquímica
por su contacto con el agua. La predisposición de un metal a disolverse en el agua, se
conoce como "Presión de Solución", ésta se mide por el potencial eléctrico (sin corriente)
que tiene que ser aplicado para evitar toda acción cuando el metal está sumergido en una
solución de una de sus sales a la concentración estándar o normalizada. A base de esta
información, los metales se clasifican en una serie según el orden del valor de su presión
de solución, como se indica en la tabla N° 1.8
Magnesio Hierro Cobre
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Berilio Cadmio Mercurio
Aluminio Níquel Plata
Manganeso Estaño Paladio
Zinc Plomo Platino
Cromo Hidrógeno Oro
TABLA N° 1.8 Serie de los metales por sus fuerzas electromotrices (Fuente: Lionel Marks,
Manual del ingeniero mecánico)
El agua siempre se disocia en sus iones constituyentes, H+ y OH-. Cualquier condición que
promueva un incremento en la concentración de iones de hidrógeno favorecerá a la
formación de gas hidrógeno en el cátodo. Causando la despolarización a separar la película
protectora de hidrógeno.
Por esta razón la disolución de un ácido o un gas ácido en el agua promueve la corrosión,
por el contrario, un aumento en la concentración del ión hidrófilo, por adición, por ejemplo
de un álcali o una sal alcalina, retarda o aun impide la corrosión del hierro.
El oxígeno disuelto en agua reacciona con el hidrógeno atómico protector que ese
encuentra en las zonas catódicas de las superficies metálicas, destruye la película por
despolarización y permite que continúe la corrosión. Los metales difieren en su actividad
catalizadora de reacción del hidrógeno y el oxígeno. La intensidad de corrosión es limitada
de manera general por la velocidad de difusión del oxígeno disuelto hacia la superficie
metálica y, como consecuencia se produce un amplio ataque del oxígeno a nivel del agua o
cerca de él. En la mayoría de los problemas de corrosión, oxígeno disuelto es el que
predomina y muchos de ellos pueden resolverse completamente mediante la desaireación
del agua por medios mecánicos, térmicos o químicos. Una acción totalmente secundaria
del oxígeno disuelto consiste en oxidar el hidróxido ferroso, formado por la unión del
metal y los hidroxilos, hasta un estado férrico insoluble.
Cualquier condición de falta de uniformidad dentro del metal, tal como la que puede
originarse por un recocido o un trabajo en frío inapropiado o no uniforme, favorece la
corrosión. De manera semejante, la falta de uniformidad en la concentración del medio
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corrosivo produce diferencias de polaridad que desarrollan células de concentración que
favorecen el ataque corrosivo. Este efecto de la falta de uniformidad es particularmente
cierto en la distribución del oxígeno. Las zonas en las que la concentración del oxígeno es
baja son anódicas con respecto a las de concentración de oxígeno más alta; por tanto se
estimula la corrosión localizada en tales zonas.
4.1.MÉTODOS PARA EVITAR LA CORROSIÓN
Por datos de la literatura técnica se conoce que el acero y el hierro reaccionan en forma
similar frente a la corrosión, hasta la presente no se ha podido establecer una diferencia
sustancial, por ello se identifica a la corrosión del hierro con la del acero y se la trata de la
misma manera. Básicamente existen tres métodos para evitar la oxidación del hierro:
Mediante aleaciones del hierro que lo convierten en un elemento químicamente
resistente a la corrosión.
Impregnándolo con materiales que reaccionen a las sustancias corrosivas más
fácilmente que el hierro, quedando éste protegido al consumirse aquéllas.
Recubriéndolo con una capa impermeable que impida el contacto con el aire y el
agua.
El método de la aleación es el más satisfactorio pero también el más costoso. Un buen
ejemplo de ello es el acero inoxidable, una aleación de hierro con cromo o con níquel y
cromo. Esta aleación es totalmente efectiva a prueba de oxidación e incluso resiste la
acción de productos químicos corrosivos como el ácido nítrico concentrado y caliente.
El segundo método, la protección con metales activos, es igualmente satisfactorio pero
también oneroso. El ejemplo más frecuente es el hierro galvanizado que consiste en hierro
cubierto con una película de cinc. En presencia de soluciones corrosivas se establece un
potencial eléctrico entre el hierro y el cinc, que disuelve éste y protege al hierro mientras
dure el cinc.
El tercer método, la protección de la superficie con una capa impermeable, es el más barato
y por ello el más común. Este método es válido mientras no aparezcan grietas en la capa
exterior, en cuyo caso la oxidación se produce como si no existiera dicha capa. Si la capa
protectora es un metal inactivo, como el cromo o el estaño, se establece un potencial
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eléctrico que protege la capa, pero que provoca la oxidación acelerada del hierro cuando se
rompe.
Otros factores que restringen la corrosión del hierro son el empleo de un metal de
autosacrificio , anódico respecto del metal al que se desea proteger, como el cinc;
recubrimientos protectores, la conversión de los metales en pasivos( o sea tratándolos de
manera que sean insolubles en ácidos y no precipiten metales de las soluciones); la
neutralización de vapores líquidos corrosivos; el tratamiento del agua para volverla un
poco alcalina ( de alto pH) o la inducción a la formación de películas superficiales
protectoras ( como las de cromato) ; la desactivación electrolítica del agua por eliminación
del oxígeno; la inversión de la polaridad para contrarrestar los efectos de las corrientes
vagabundas o de dispersión, y la aplicación de una fuerza electromotriz externa con el fin
de volver la corrosión de la estructura catódica y concentrada sobre las partes anódicas
auxiliares usadas para este fin.
Control de la corrosión debida a la electrólisis, que es causada generalmente por fugas de
corrientes procedentes de circuitos eléctricos y que puede tener lugar en puntos muy
distantes de aquel en el que ocurre la fuga, generalmente la instalación inapropiada de la
puesta a tierra de los equipos de soldadura, es causa de este fenómeno.
5. TRATAMIENTO DEL AGUA PARA CALDERAS.
Las aguas naturales siempre incluyen impurezas, la cantidad presente de éstas en el agua
establece una relación que puede perjudicar el funcionamiento de las calderas. Las
contaminaciones se originan en las tierras y la atmósfera, y de manera general se clasifican
en materias orgánicas e inorgánicas, en estado suspendido o disuelto y gases diluidos. Las
concentraciones de éstos varían mucho como consecuencia de cambios de estaciones, la
distribución de las lluvias y otras causas.
En una instalación corriente de caldera, mediante la adición de calor, el agua se convierte
en vapor, el cual sale de su colector o cilindro de acumulación en estado puro. Las
impurezas sólidas, distintas de los gases que entran con el agua de alimentación, aun
cuando estén en pequeñas cantidades, son en consecuencia retenidas en el agua de la
caldera y se van concentrando más y más en el transcurso del tiempo de operación. Cabe
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anotar que también se producen cambios químicos y de solubilidad a las temperaturas de
saturación que se alcanzan, debido a que las presiones de saturación que los procesos de
trabajo requieren también son elevadas.
Las aguas que se encuentran en la naturaleza, con pocas excepciones, por lo general no son
apropiadas para el suministro de las calderas, pero puede hacerse que lo sean con un
tratamiento adecuado, en un bosquejo escueto, se puede mostrar que el procedimiento
consiste en:
Separar del agua corriente en un grado aceptable, aquellos constituyentes que se
consideren perjudiciales.
Realizar un tratamiento complementario, dentro de la caldera o del sistema
conectado a ella, de las impurezas residuales para transformarlas en forma no
perjudicial.
Separar en forma sistemática mediante purgas los concentrados formados en el
agua de la caldera, para impedir su excesiva acumulación en el interior de ésta.
El propósito concluyente de los tratamientos de las aguas de alimentación así como de la
caldera es el de mantener las superficies metálicas internas, libres de depósitos de
incrustaciones y lodos, para impedir la corrosión de dichas superficies; la formación de
incrustaciones duras, originadas por ciertos constituyentes en las zonas de elevada
transmisión de calor, retardan el flujo de éste y hacen que el metal trabaje a temperaturas
más elevadas que las normales, lo que conduce al pandeo o rotura de las partes a presión
que sean afectadas . El lodo, o las partículas sólidas portadas normalmente en suspensión,
sedimentan en zonas locales y entorpecen la circulación del agua de enfriamiento o, en
ciertas condiciones, forman capas aislantes que producen un efecto semejante a las
incrustaciones duras. Los depósitos de las incrustaciones y lodos agravan el ataque del
metal a temperaturas elevadas: la grasa y el aceite impiden que las superficies se mojen y,
en zonas de gran transmisión de calor, hacen que el metal se recaliente, el material de las
impurezas en algunos sitios llega a carbonizarse, formando una capa aislante que se
adhiere al metal.
La eliminación de los gases del agua se realiza en las centrales de vapor mediante
desaireación mecánica o térmica, por adición de productos químicos o por una
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combinación de ambos procedimientos. El método básico consiste en calentar el agua por
su contacto directo con el vapor, bien en calentadores abiertos o en el tipo más eficiente
conocido como calentador desaireador.
En general, el agua es rociada, pulverizada o goteada sobre una torre con bandejas
metálicas para que presente la máxima superficie posible, mientas que el vapor se admite y
dirige de manera que el flujo pueda barrer los gases no condensables a medida que se
desprenden de la solución, empleando el vapor a una presión no menor a 34.32 KPa con
una temperatura de saturación de 108 °C, una distribución eficaz y una ventilación liberal a
través de un condensador con respiraderos, se reduce el oxígeno residual a 5 ^l. por litro.
La eliminación de otros gases disueltos se efectúa igualmente con calentadores de contacto
o con desaireadores, pero algunos gases que forman compuestos con el agua (amoníaco,
anhídrido carbónico) no pueden reducirse a nivel tan bajo como el oxígeno disuelto.
La eliminación del oxígeno residual por medio de productos químicos sigue generalmente
a la desaireación térmica, como seguridad contra su eficacia imperfecta. Se añade al agua
varios productos químicos que eliminan su oxígeno; en orden cronológico de utilización
ellos son: taninos, hidróxido ferroso, sulfito de sodio e hidracina. Este tipo de tratamiento
se denomina barrido. Los galotaninos se comportan como el pirgalol alcalino en el lavado
en torre del oxígeno del agua a temperatura elevada, pero su acción es limitada en las
calderas a baja presión. El hidróxido ferroso se empleó en una central primitiva, a alta
presión, pero hoy no podría tolerarse el oxido de hierro producido en el sistema. El sulfito
de sodio es, de ordinario, la sustancia química más ampliamente usada para eliminar trazas
de oxígeno que quedan en el agua después de su desaireación.
La velocidad de reacción de las trazas de las concentraciones de oxígeno y sulfito que se
encuentran en el agua es lenta, pero puede acelerarse grandemente con la adición de
catalíticos. El nitrato de cobalto es el más empleado para este fin, aunque también se ha
usado sulfato de cobre. El hidrato de hidracina (N2H H2O) es un potente agente reductor y
si se aplica y controla en forma apropiada impedirá en forma efectiva la corrosión por
oxígeno. Hay evidencia que actúa sobe la superficie del metal y de las materias
suspendidas y puede coexistir con el oxígeno disuelto.
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El efecto del pH sobre la corrosión a las temperaturas del agua de alimentación y del agua
de caldera es semejante a su efecto sobre la corrosión electroquímica a temperaturas
ordinarias, es decir, la presión de la solución del hierro es marcadamente deprimida a
medida que se eleva el pH.
En ausencia de oxígeno, la picadura del hierro se vuelve despreciable en la mayoría de los
circuitos de alimentación a medida que el pH se eleva hasta 9.0, y en las calderas en un
nivel de 10.2 a 11.0. Las calderas industriales que trabajan a presiones moderadas
(presiones inferiores a 6.86 MPa) se tratan con sosa cáustica, si se da el caso de que sus
aguas no la tienen como resultado del tratamiento del agua de reposición, se lo hace para
mantener el grado de alcalinidad necesario y que pueda regular la del agua dentro de la
proporción deseada.
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CAPÍTULO III
SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS
Existen parámetros en el proyecto que deben ser escogidos de entre varias alternativas,
éstas pueden ser consideradas como posibilidades válidas probables y factibles de elección.
La elección debe hacerse mediante un proceso que tome en cuenta las particularidades de
cada alternativa enfocando de manera clara y definitiva la conveniencia o no de su elección
para el propósito planteado.
La elección de las alternativas se hace mediante el método de cuantificación que asigna un
valor a cada una de las condiciones de la alternativa, la sumatoria de éstas da un valor total
a cada una de ellas, la que adquiere mayor puntaje es la que se selecciona como la
alternativa del proyecto. Las condiciones y su valoración son temas de gran subjetividad
por lo que se ha consultado con personal que trabaja en la fabricación de calderos así como
a Ingenieros Mecánicos que trabajan en proyectos termodinámicos en la industria;
evidentemente los tres ítems a seleccionar tienen sus propias alternativas y no puede
establecerse un mismo criterio para la selección, sino que cada ítem tiene una selección
particular.
1. SELECCIÓN DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO
En lo que se refiere al sistema de calentamiento se analizan dos posibilidades
fundamentales: el calentamiento mediante la quema de diesel y la combustión de gas
licuado de petróleo o GLP. Se seleccionan estas dos posibilidades a priori, por que en
nuestro país son las tecnologías térmicas más al alcance, las más conocidas, los
combustibles de mayor oferta y facilidad de adquisición en el mercado.
Para la selección se tomarán en cuenta las diversas características que presentan los dos
combustibles y su conveniencia o no para el desarrollo del proyecto.
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2. SELECCIÓN DE LOS COMBUSTIBLES
A juicio de los proponentes del presente proyecto, respaldados por variada información
técnica y criterios de técnicos expertos en el área se seleccionan los siguientes aspectos
para la evaluación de los combustibles. La cuantificación se hará con un máximo de 10 a
las mayores facilidades y condiciones más ventajosas e irá disminuyendo conforme se
presenten más dificultades, finalmente se hará una tabla resumen de la evaluación y el
combustible que obtenga la mayor calificación será el seleccionado, evidentemente se
tomará en cuenta las condiciones de subsidio que existen en nuestro país y las cuales
pueden en un futuro cercano ser eliminadas
Parámetros de selección:
Condiciones de Almacenamiento
Rendimiento Térmico
Tecnología de la Combustión
Dispositivos para el Control de Mezcla
Contaminación Ambiental
Seguridad Industrial
2.1.Condiciones de Almacenamiento
Se refiere a la forma que debe almacenarse cada tipo de combustible. El diesel requiere de
un depósito metálico o de plástico, el que tendrá que colocarse en un sitio elevado para que
el combustible líquido descienda por gravedad, las dimensiones dependen de la utilización
del baño sauna.
Para el gas licuado de petróleo los recipientes ya están estandarizados son fáciles de ubicar
y no tienen influencia de la gravedad para entregar su contenido, por la facilidad que
presenta el GLP.
En estas características se le asigna la valoración de:
10 para GLP
7 para diesel
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2.2.Rendimiento térmico
Se entiende como el poder calorífico de los combustibles. Para los combustibles en análisis
se tienen los siguientes datos:
DIESEL
Poder Calorífico Superior46.52 MJ /
Kg.TABLA 1.3 Pág. 32
G.LP
Poder Calorífico Superior49.68 MJ /
Kg.TABLA 1.6 Pág. 39
Como se puede ver en el cuadro que antecede el GLP tiene mayor poder calorífico que el
diesel, aunque la diferencia no es muy considerable, por lo que se le asigna una valoración
de:
10 al GLP
8 al diesel.
2.3.Tecnología de la combustión
Es de conocimiento general que para la combustión del diesel se requiere de un proceso de
pulverización y mezcla con aire, este proceso se efectúa mediante calentamiento y bombeo
del líquido hasta un quemador apropiado para diesel, mientras que la combustión del GLP,
es un proceso simple que no requiere de procesos especiales ni de quemadores de alta
tecnología, en último caso los quemadores de GLP se construyen localmente, debido a esta
gran diferencia, la valoración es de:
10 al GLP
5 al diesel
2.4.Dispositivos para el control de mezcla
Tiene relación con la mezcla que se debe dar entre el aire y el combustible para que haya
combustión. La mezcla combustible del aire con el diesel tiene que ser evaluada por un
sistema óptico, para encenderla mediante una chispa producida por un transformador
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eléctrico, el sistema de encendido que se encarga de hacer esto es de alto costo por la
tecnología bastante desarrollada con que se lo fabrica, mientras que el GLP, se conforma
con una simple ventanilla de metal que se desliza en una ranura, esta es una gran diferencia
entre los combustibles por lo que se asigna una valoración de:
10 al GLP
5 al diesel
2.5.Contaminación ambiental
Los escapes y goteos del diesel siempre causan manchas difíciles de eliminar, la
combustión no siempre es la máxima es decir la más completa, constantemente existen
residuos de carbono que generan hollines y humos, además de los vestigios de óxidos de
azufre que conjuntamente se vierten al aire. El GLP, no produce manchas, su combustión
es mejor, presenta menos residuos y contaminantes, para mejorar la combustión se debe
controlar la proporción de la mezcla, caso contrario la llama presenta coloración amarilla
en vez de la azul que es lo normal. En esta característica se asigna una valoración de:
10 al GLP
4 al diesel
2.6.Seguridad industrial
Se entiende por los tipos de seguridades que se debe tener para cada combustible. El riesgo
de explosión está siempre presente en los dos combustibles, en el caso del diesel cuando
una mezcla muy rica es inflamada se produce una explosión por ello se utilizan elementos
de control para evitarla, mientras que en los tanques de GLP el principal riesgo es la fuga
del combustible, su combinación con el aire circundante y la explosión mediante cualquier
chispa. El riesgo del recipiente no lo presenta el diesel, el que por naturaleza no es
altamente inflamable como otros combustibles líquidos como la gasolina por ejemplo. En
el presente caso la evaluación que asigna una valoración de:
10 al diesel
7 al GLP
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Con los valores asignados a las características antes analizadas, se elabora la tabla N0 2.1,
en la que al final se realiza la suma para ver la posibilidad que presenta mayor puntaje,
para elegirla como la alternativa seleccionada.
PARÁMETROS DE SE LECCIÓNVALORACIÓN PONDERACIÓNDIESEL GLP %
Condiciones de almacenamiento 7 4,2 10 6 10Rendimiento térmico 8 9,6 10 12 20Tecnología de la combustión 5 3 10 6 10Dispositivos para el control de la mezcla 5 3 10 6 10Contaminación ambiental 4 2,4 10 6 10Seguridad industrial 10 24 7 16,8 40
SUMA: 39 46,2 57 52,8 100
Tabla N° 2.1 Selección de combustible
En la tabla N° 2.1 se advierte que la mayor valoración la obtuvo el GLP por tanto es la
alternativa seleccionada, cabe frente a este resultado hacer algunas acotaciones:
El proceso de valoración de las alternativas de combustión se hace desde la óptica
de la construcción de una caldera de pequeñas dimensiones y bajo consumo.
Existe la limitación de presión y temperatura en la caldera, por motivos de
construcción, costos, aislamiento y eficiencia.
Los fenómenos térmicos, como el cambio de fase se producen debido a condiciones
de temperatura y no de cantidad de masa.
El proyecto involucra el diseño y construcción de un prototipo académico, lo cual
impide una investigación a fondo de otros tipos de combustibles más baratos pero
que requieren elementos de pulverización para la combustión como el bunker y el
carbón.
3. SELECCIÓN DEL TIPO DE CALDERA
El elemento generador de vapor para el proyecto es un elemento pequeño, de baja presión
y temperatura, además es solo un prototipo, por tanto no se puede tratar el caso como el de
una caldera tipo industrial.
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Existen dos alternativas a seleccionar en lo que se refiere al tipo de caldera o elemento
productor de vapor para el calentamiento del sauna seco y el sauna húmedo: las
pirotubulares y las acuatubulares, la selección entre éstas dos se hará por un procedimiento
similar al que se utilizó en la selección del combustible.
Parámetros de selección:
Tecnología de Construcción
Costo
Duración
Seguridad
3.1.Tecnología De Construcción
La caldera pirotubular es la más conocida en el país, se la encuentra prestando servicio,
desde las pequeñas hasta las grandes industrias, debido a los trabajos de mantenimiento
correctivo los talleres metalmecánicos han visto sus partes y las han ido produciendo, por
lo que ya existen talleres de construcción de estos artefactos, además existen talleres
especializados de diseño y construcción. La tecnología a emplearse en esta alternativa es
amigable y asequible, emplea la construcción de un tanque con agua atravesado por ductos
por los que circula el fuego, se la ensambla mediante soldadura y se controla su
funcionamiento con válvula de escape y manómetros.
La caldera acuatubular no es muy conocida en el país, se la ha visto en catálogos e
ilustraciones pero no es muy popular la tecnología de su construcción. El hecho de que
cada tubo se convierta en una caldera es un proceso extraño digno de ser analizado desde el
punto de la investigación de ingeniería. De acuerdo con lo expuesto se asigna:
10 a caldera pirotubular
8 a caldera acuatubular
3.2.Costo
La caldera acuatubular evidentemente es más costosa que la caldera de la otra alternativa;
tiene más elementos en su estructura, la cantidad de tubos a emplearse es mayor que en la
caldera pirotubular, tiene dos tanques reservorios, etc., los procedimientos de
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funcionamiento son diferentes y especialmente la caldera acuatubular está destinada a
proyectos en los que se requiere altas presiones y temperaturas para generar grandes
cantidades de vapor, este tipo de calderas se emplean en las plantas de generación eléctrica
mediante turbina de vapor. Debido al tamaño de proyecto se ve que la mejor
recomendación para el presente proyecto es la caldera pirotubular, por lo que se asigna una
valoración de:
10 a la pirotubular
8 a la acuatubular.
3.3.Duración
La vida útil de los dos tipos de calderas es similar por lo que se les asigna la máxima
valoración por igual.
3.4.Seguridad
La caldera acuatubular conlleva a un mayor riesgo por el contenido de los tubos y la mayor
cantidad de elementos en su estructura, por lo que se asigna una valoración de:
9 a la pirotubular
7 a la acuatubular
Con las valoraciones a las características se elabora el cuadro adjunto.
PARÁMETROS DE SELECCIÓNVALORACION PONDERACIÓN
ACUATUBULARPIROTUBULAR %Tecnología de construcción 8 9,6 10 12 30
Costo 8 6,4 10 8 20Duración 10 6 10 6 15Seguridad 7 9,8 9 12,6 35SUMA: 33 31,8 39 38,6 100
Tabla 2.2 Selección de tipo de caldera
Como se puede advertir la opción de la caldera pirotubular es la más apropiada para el
presente proyecto, cabe recordar que en este proceso de selección también primó el punto
de vista de la pequeña caldera para alimentar a las cámaras del sauna.
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4. SELECCIÓN DEL AISLAMIENTO TÉRMICO
El aislamiento térmico básicamente puede hacerse con dos tipos de materiales, que son los
que más están al alcance en el mercado nacional, la fibra de vidrio y la espuma de
poliuretano, para elegir entre los dos materiales se toman en cuentan las siguientes
características:
Costo
Duración
Facilidad de colocación
4.1.Costo
La fibra de vidrio es más económica que el poliuretano por ello se asigna una valoración
de:
10 a la fibra de vidrio
8 al poliuretano
4.2.Duración
El poliuretano, especialmente el inyectado tiene mayor vida útil que la lana de vidrio, por
ello se asigna:
10 al poliuretano
7 a la fibra de vidrio.
4.3.Facilidad De Colocación
El poliuretano requiere de moldes en la mayoría de los casos, en este proyecto si se deben
elaborar moldes, la fibra no los requiere, la colocación es muy sencilla en el caso de la
fibra mientras que la del poliuretano es difícil, requiere un equipo especial de inyección,
por todo esto se le asigna una calificación de:
10 a la fibra de vidrio
7 al poliuretano.
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Con los valores asignados se elabora la tabla 2.3
PARÁMETROS DE SELECCIÓN
VALORACIÓN PONDERACIÓN %LANA DE VIDRIOPOLIURETANO
Costo 10 12 8 9,6 40Duración 7 7,4 10 10,5 35Sujeción 10 7,5 7 5,3 25SUMA: 27 26,9 25 25,4 100
Tabla 2.3 Selección de aislante térmico
A partir de la tabla 2.3 se puede advertir que la mejor opción es la de la fibra de vidrio.
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CAPITULO IV
DISEÑO Y SELECCIÓN DE LOS COMPONETES DEL SISTEMA DE ALIMENTACION DEL SAUNA
Para la selección de los componentes del sistema para el sauna primero se debe saber los
requerimientos de vapor que se necesita para ser distribuido por toda la red de distribución
y también para la selección adecuada de una caldera de la marca INTESA, y de las trampas
de vapor y todos los componentes extras que abastecerán a la caldera.
Estos cálculos son para abastecer 4 cámaras húmedas y 8 cámaras secas.
1. CALCULO DE REQUERIMIENTOS DE VAPOR
1.1.Cámara húmeda
Para el cálculo de la cámara húmeda se necesita saber los siguientes elementos
Numero de Cámaras: 4 cámaras
Material de revestimiento: madera de 20 mm de espesor
Volumen de la cámara: Vint = 2.3x.2x2.5 = 11.5 m3
Volumen exterior de la cámara: Vext.= 2.04x2.32x2.54 = 12.02 m3
Volumen de madera Vmad = Vext – Vint = 12.02 – 11.5 = 0.52 m3
Masa de la madera: mmadera=ρV
Densidad del pino blanco es de ρpino blanco=0.35g
cm3
mmadera=0.52 ×103 ×0.35
mmadera=182 kg
Cantidad de calor para calentar con paredes de 20 °C a 80 °C
Qmad=mmadCmad ∆ T
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Cmad=2.512kJ
kg° K
Qmad=182× 2.512×(80−20)
Qmad=27431.04 kJ
Cantidad de calor transmitida por la pared de madera
Q=k mad . A(∆ T )
l
k mad=0.112W
m° C
El ares de las paredes:
(2× (2.04 × 2.54 ) )+ (2× (2.32× 2.54 ) )+ (2× (2.04 ×2.32 ) )=31.61 m2
Q=0.112× 31.61×(80−20)
0.02
Q=10.6 kW
¿10.62 Kw consideranoun funcionamiento por dia de=8horas=28800 seg .
Q=10.62KJseg
x 28800 seg
Q=305.86 MJ ………… II
≫Calor total paracalentar y la transferencia por lamadera es :
I+ II
Q=27.43+305.86=333.29 MJ
Calculo de masa de aire:
V ih=11.5m3
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ma=PVRa T
; para condicionesetandar :
ma=101.32 x11.5286.33 x 293
=13.89 kg
Energía interna del aire:
20 °C 80 °C
209.2KJkg
250.02KJkg
hv ( Entalpiadel vapor a 80℃ )=2643.7 KJ /kg
entonces hallamos mV =QV ma(U 2−U 1)
hv
mV =333290 x13.89 (250.02−209.2 )
2643.7
mV =126.28 kg
Para un funcionamiento de 8 horas:
mv=126.08 Kg
8 hr .=15.785
Kg vapor
hr=34.727
lbvapor
hr
Perdidas en condensación en el cuerpo humano:
Q=mC ∆ T
Para un humano T 0=35 °C T0=45 °C
∆ T=10 ° C
Para una masa promedio = 70 Kg; C e persona=3470J
Kg℃
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En una cámara puede haber 7 personas como máximo y tiempo promedio de estadía 20
min.
Q=1470 x 3.47 x10=51009KJkg
Para una cantidad de vapor condensado h fog(80℃ )=2308.8 KJ / Kg
Donde w '=cantidad decondensado
A=Ar ea
λ=Calor Latente (h fog)
51009KJhr
=2308.8KJkg
x w '
w '=22.09Kgh
decondensado
Consumo de vapor de 1 cámara húmeda=15.875 kg/hr + 22.909 kg/hr = 37.875 kg/hr
Para 4 cámaras
37.875Kghr
x 4=151.5Kghr
x 2.2lbkg
=333.3lbhr
1.2.Cámara Seca
V∫¿=2.7 x2 x2.5=13.5m2¿
T o=20 ° C T o=80 ° C
φ=46 %φ=20 %
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≫h=h1−h2
h2=140KJkg
h1=37.5KJkg
h=140−37.5=102.5KJKg
V=13.5 m3=¿la ventilacióndel local
# de cambios de aire 5 – 6 renovaciones x hora (Salvador Escoda): ρaire=1.2kg
m3a 20℃
V=13.5 m3 x6h=81
m3
hr
m=81m3
hx1.2
kgm3 =97.2
Kgh
Q=102.5KJkg
x 97.2Kgh
=9963KJh
……… ……I
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Por balance de calor teniendo en cuenta que si se tiene vapor a 80°C entonces se tiene
h fg=2308.8kJkg
Entonces:
Qhfg
= 99632308.8
=4.32kghr
=9.49lbhr
Entonces en la cámara seca se requiere de 9.49 lb/hr de vapor para calentar una cámara
desde 20°C hasta 80°C, entonces para las 8 cámaras secas se requerirá de 75.92 lb/hr.
En total el flujo de vapor requerido para las cámaras secas y las cámaras húmedas es de:
m=333.33+75.92
m=409.25 lb /hr
Para una temperatura de abastecimiento de 60°C a la caldera se tendrá un factor de
evaporación de 1.10 lo que da un requerimiento real:
mreal=372.05 lb /hr
1.3.Selección De La Caldera
Para la selección de la caldera dividimos este consumo entre 34.5 lb/hr
BHP=372.0534.5
BHP=10.78
Con esta potencia podemos seleccionar la caldera que será una caldera vertical TV-15 que
es de 15 BHP, no se puede usar una TV-10 porque el requerimiento sobrepasa la capacidad
de esta caldera.
El excedente que se produzca en esta caldera puede ser usado para abastecer agua para
calentar una terma o para la lavandería.
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2. CALCULO DE LA LINEA Y ACCESORIOS
2.1.Cálculo del diámetro de la línea troncal
V=20 m/s (Recomendado para ramal)
Presionde trabajo7 ≅ 100 psig (nominal )
m=372lbhr
x1kg
2.2 lbx
1 h3600
=0.04697kgs
V a a100 psig ( tablas )
v=0.287m3
kg
Por continuidad:
0.273 x 0.04697=20 xA
A=6.41 x 10−4=π D2
4
D=0.02857 m=1.126 pulg.
Con ábacos de velocidad recomendada (texto plantas industriales; pag. 157):
V=(20ms )( 1 pie
0.3048 m )( 60 seg1min )=3937 ppm≅ 4000 ppm
Flujo masico:
m=372lbhr
De abaco: D=114
pulg. ;schedule 40
De ábacos de caída de presión para Schedule 40:
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Para D=114
; y flujo masicom=372lbhr
∆ P=1.8Psi
100 pies
De la longitud total de la tubería troncal L=24 m
≫∆ PT=24 x1
0.3048piem
x1.8Psi
100 pies=1.42 psi
2.2.Calculo del diámetro para tuberías ramales
Velocidad para la tubería troncal es de 35 m/s que es recomendada
La presión que sale de la caldera es de 100 PSI, las perdidas en la tubería troncal son
prácticamente despreciables
2.2.1. Cámara húmeda
m=333.33lbhr
×1 kg
2.2 lb×
1 hr3600 s
=0.0421kgs
v=0.273m3
s
v . m=V . A
A=0.273 × 0.04235
=3.284 ×10−4
D=√ 3.284 ×10−4 × 4π
=0.02 m=0.79 pul
Por ábacos con V=35ms=6889.76 ppm y m=333.33
lbhr
de que el diámetro de la tubería es
de ¾”
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2.2.2. Cámara seca
m=69.02lbhr
×1kg
2.2 lb×
1hr3600 s
=0.00872kgs
v=0.273m3
s
v . m=V . A
A=0.273 × 0.0087225
=9.52 ×10−5
D=√ 9.52 ×10−5 × 4π
=0.011m=0.43 pul
Por ábacos con V=25ms=4921.25 ppm y m=69.02
lbhr
de que el diámetro de la tubería es
de ½”
3. CONSUMO DE COMBUSTIBLE
Para el calculo del consumo de combustible se debe tener en cuenta que para la caldera de
15 BHP el consumo de combustible Diesel 2 es C = 5 GPH
El calculo del tanque diario se realiza para un funcionamiento de 8 horas por dia
C=5 ×8=40 gal×3.785 L
1 gal=151.4 litros
V=151.4 L×1 m3
1000 L=0.1514 m3
Usando un factor de seguridad del 25% se tiene un V=0.1514 m3y asumiendo que L=1.5D
V= π D2
4×1.5 D=3 π D3
8=0.1514 m3
D=0.544 m
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D=0.815 m
3.1.Soportes
De los ábacos que se encuentran en la página 214 del libro de Plantas Industriales, para el
diámetro de tuberías de 20 a 32 mm la distancia entre soportes recomendado es de 2.4 m
3.2.Aislante
Para el cálculo del espesor del aislante de ábacos conseguidos en el libro del curso en la
pagina 303 tabla 2, se tiene que para coquilla Roclaine para una tubería de 1 ¼” (troncal),
¾” (ramal), 1/2” (ramal).
La temperatura de saturación a 100 PSI es de 170 °C
Tomamos de la tabla a una temperatura aproximada de 200 °C
1 1/4” aislante de 40 mm
3/4" aislante de 40 mm
1/2" aislante de 40 mm
3.3.Juntas de Expansión
Para tuberías de acero al carbono la dilatación será:
T o=20 ° C, ∆ L=0.57mm
10 m
Para 7 bar (100 PSIg) ∆ L=18.81mm10 m
∆ L=18.81−0.57=18.54mm10 m
Para L = 24m
∆ LT=(24 ) (18 )(24 )
10=43.78 mm
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¿ juntas=∆ LT
∆ L comp . axial
Compresion axialde=47.5
¿ juntas=43.847.5
≅ 1
Elegimos una junta tipo Piping Technology & Products Inc.
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CONCLUSIONES
El requerimiento de vapor de un sauna es mínimo, por lo mismo el consumo de
combustible, por lo que se deduce que el negocio es rentable.
Las cámaras del sauna deben tener un volumen adecuado para poder obtener una
distribución uniforme de vapor.
Es importante considerar el tiempo en que una persona puede permanecer dentro de
la cámara, tanto en el aspecto de salud como de diseño.
La perdida de presión es casi nula a comparación de la inicial debido a que no se
cuenta con grandes distancias.
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BIBLIOGRAFIA
KARLEKAR D, Transferencia de Calor, 4ª Edición. Edit. CECSA, México, 2002
KEENAN J y KEYES F, Steam Tables, thermodynamic Properties of Water, 42ªva
Edition, Edit John Wiley & Sons, Inc, Lóndres , 2000
MARKS L (Comp.), Manual del Ingeniero Mecánico, 11ª Edición, Edit.McGraw –
Hill Book Company, México, 2004
SONTANG R y VAN WYLEN G, Introducción a la Termodinámica Clásica y
Estadística, 4ª Edición, Edit. LIMUSA, México, 2004
SPIRAX SARCO, Design of Fluid Sytems, 2002
Manual de uso e Instalaciones de Sauna – Ibeca Grup
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