Mantenimiento de Caldera

INTRODUCCIN

La sociedad requiere para desarrollar todas sus actividades productivas y no productivas de la utilizacin de combustibles fsiles, los cuales en los ltimos aos se han venido utilizando como fuente principal de energa. Entre los grandes consumidores de combustibles fsiles se encuentran las calderas, las cuales constituyen equipos de gran aplicabilidad en la industria a escala mundial. El objetivo fundamental de esta clase de equipos consiste en transformar en energa trmica la energa qumica contenida en los combustibles fsiles mediante su combustin y transferirla al agua para generar vapor, el cual posteriormente es utilizado como fuente de energa para realizar mltiples actividades industriales, as como para alimentar de vapor a diversos procesos. Para mantener una elevada eficiencia en el funcionamiento de las calderas se necesita disponer de sistemas efectivos de control automtico.En correspondencia con el contenido de sus tubos las calderas se clasifican en calderas de tubos de agua o acuotubulares y calderas de tubos de fuego o pirotubulares., las calderas pirotubulares se utilizan en procesos que no necesitan un elevado consumo de vapor. Este trabajo centra su atencin en describir el funcionamiento de los diferentes tipos de caldera, as como tambin menciona los tipos, usos, presiones de operacin caudales y calidad de vapor que maneja cada una. Dentro del mismo contexto tambin se explicaran algunas de las funciones que cumplen los sistemas de operacin de vapor tales como el economizador, recalentadores de aire, condensadores, sobre calentadores, calentadores, torres de enfriamiento. Aunado a lo anterior, se describieron los principios en los que se fundamentan los ciclo Carnot, Rankline, Rankline con recalentamiento, regenerativo.

INDICE

1. CALDERAS

Una caldera o generador de vapor es una mquina trmica que produce vapor a una presin mayor que la atmosfrica. A la mquina le entra una energa (airecombustible) la cual se transfiere a una sustancia de trabajo (frecuentemente agua)efectundose el proceso de evaporacin, cuyo mecanismo de transferencia de calor depende del tipo de Caldera. Las calderas de vapor, constan bsicamente de 2 partes principales

Cmara de agua: Es el espacio que ocupa el agua en el interior de la caldera, el nivel de agua se fija en su fabricacin, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. Segn la razn que existe entre la capacidad de la cmara de agua y la superficie de calefaccin, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeo volumen de agua.

Cmara de vapor: Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, el cual debe ser separado del agua en suspensin. Cuanto ms variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cmara, de manera que aumente tambin la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.

1.1 CALDERAS PIROTUBULARES

En esta caldera la llama y los productos de la combustin pasan a travs de los tubos y el agua caliente rodea el hogar interno y los bancos de tubos. Manejan presiones de operacin de 0-20 bares (0-300 PSIG). (ROSALER, 2002). Figura 1.Ventajas: Menor costo inicial debido a la simplicidad de su diseo, mayor flexibilidad de operacin, menores exigencias de pureza en el agua de alimentacin, son pequeas y eficientes. Desventajas: Mayor tiempo para subir presin y entrar en funcionamiento, no se deben usar para altas presiones.

Figura 1. Caldera pirotubular. Adaptado de (KOHAN, 2000)

Las calderas pirotubulares o de depsito como tambin se llaman, generalmente sonde forma cilndrica y tienen una cmara de combustin con una relacin mnima entre la longitud y el dimetro de 3:1 (SAXON, 2006).Segn Kohan, las calderas pirotubulares son las ms utilizadas en el calentamiento de procesos y en aplicaciones industriales y comerciales. (KOHAN, 2000)Estas calderas se pueden subdividir en: de un solo paso o de mltiples pasos.

Calderas pirotubulares de un paso. Estas calderas tienen un conjunto de tubos de humo que las atraviesan desde el principio hasta el final, con los quemadores al principio y la chimenea al final de estos, Figura 2, los tubos pueden ser colocados en la cmara de la caldera en forma vertical u horizontal. Los quemadores van montados dentro de cada tubo y normalmente en las calderas horizontales el tiro es forzado y en las verticales el tiro es natural Estas calderas son diseadas para quemadores de gas y tienen una produccin de vapor de 36 Kg/h hasta 360 Kg/h. Las calderas verticales son comnmente usadas para tintorera y en la fabricacin de prendas de vestir (SAXON, 2006). Figura 2. Caldera pirotubular de un paso. Adaptado de (SAXON, 2006)3.1.2 Calderas pirotubulares de mltiples pasos. Esta caldera usualmente tiene una sola cmara para la combustin principal, con un conjunto de tubos por donde pasan los gases calientes, tanto por el frente como por la parte de atrs de esta. Uno de los primeros diseos fue el de la caldera de Lancashire mostrada en la figura 3; esta fue originalmente diseada para quemadores con carbn, pero luego fue convertida a gas natural. El rendimiento trmico de este tipo de caldera generalmente es cerca de 7377%.

Caldera de Lancashire. Adaptado de (SAXON, 2006)La caldera moderna de cmara empaquetada generalmente es de tres pasos en la caldera hmeda, figura 4, sino hay problemas de fugas de aire podra funcionar con eficiencias trmicas de 7883%.El combustible puede ser petrleo, gas o dual. El vapor generado puede ser de hasta31800 kg/h con presiones de hasta 18 bares. Las Calderas de ms de 16820 kg/h de salida generalmente tienen dos tubos de combustin (SAXON, 2006).

Principio de funcionamiento pirotubular:

El combustible se quema en un hogar, donde tiene lugar la transmisin de calor por radiacin, y los gases resultantes, se le hace circular a travs de los tubos que constituyes el haz tubular de la caldera, en donde tiene lugar el intercambio de calor por conduccin y conveccin. Segn sea una o varias las veces que los gases pasan a travs del haz tubular. En el caso de las calderas de varios pasos en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado nmero de tubos cosa que se logra mediante las denominadas cmaras de humos. Una vez realizado el intercambio trmico, los humos son expulsados al exterior a travs de la chimenea.

1.2 CALDERAS DE AGUA O ACUOTUBULARES

En este tipo de unidad, los productos de la combustin rodean a los bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos tubos. Manejan presiones de operacin de 0-150 bares (0-2200 PSIG). (ROSALER, 2002).

Ventajas: Pueden ser puestas en marcha rpidamente y trabajan a 300 PSI o ms.Desventajas: Mayor tamao y peso, mayor costo, debe ser alimentada con agua de gran pureza.

Estas son las grandes calderas de alta presin utilizadas para la generacin de energa en la industria. Los gases calientes de los quemadores pasan alrededor de los bancos de tubos verticales que contienen el agua. Las calderas son de forma rectangular y los tubos estn conectados a un tambor de agua en la parte inferior y a un colector de vapor en la parte superior. Normalmente hay un sobre calentador por encima de la cmara principal de combustin. Los productos son por lo general por encima de 20.000 kg/h. Debido a factores econmicos, las calderas trabajan con carbn pulverizado o petrleo. Algunas han sido convertidas a gas, tambin pueden trabajar con dos quemadores de combustible

Principio de funcionamiento acuotubular:

Estas calderas constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos refractorios en el cual se produce la combustin del combustible y constituyendo la zona de radiacin de la caldera.Desde dicho hogar los gases calientes resultantes de la combustin son conducidos a travs del circuito de la caldera, configurado esta por paneles de tubo constituyendo la zona de conveccin de la caldera. Finalmente los gases son enviados a la atmosfera a travs de la chimenea.

1.3 CALDERAS ELECTRICAS

Las calderas elctricas pueden asemejarse a las de gas en climatizacin o funcionamiento pero sus componentes difieren mucho; una caldera elctrica estndar posee: ingreso de agua fra y salida de agua caliente; requiere de una instalacin mnima para conexiones libres o para sistemas ventilados y sin ventilar. Su rendimiento est estimado en un 99,8%, es un sistema libre de contaminacin lo que lo convierte en el ms conveniente; como no requiere de ventilacin, no desperdician calor y por lo tanto logran una eficiencia mayor a cualquier otro calefactor. No producen ruidos ni humos, otorgando as una atmsfera y estilo de vida mucho ms limpios; con respecto al mantenimiento de las calderas elctricas decimos que ste es mnimo a lo que hay que agregar que nunca tendremos problemas de provisin de combustible.

Las calderas elctricas son las nicas que pueden ofrecernos un confort mucho mayor al de cualquier otro sistema elctrico, ya que, de todos ellos, es la que puede garantizarnos una excelente provisin de agua caliente sanitaria como de calefaccin, tanto en reas rurales como en zonas urbanas, siempre y cuando constemos de una red elctrica. Estos artefactos estn dimensionados para satisfacer una amplia gama de necesidades, desde una casa prefabricada hasta una vivienda multifamiliar; los modelos ms tecnolgicos incorporan un microchip para el sistema de control encargado de regular la temperatura como produccin de agua caliente.

Los modelos de calderas elctricas actuales incluyen: termostato de control, purgador automtico, termmetro incorporado (0- 120C), vlvula de vaciado, programador de hora, bomba aceleradora, vlvula de seguridad, vaso de expansin membrana y su estructura suele estar pintada en resina epoxi. Para comprender un poco mejor cul es la funcin de cada parte que hemos nombrado, las describiremos una por una; el programador se asemeja a un pequeo robot electrnico mediante el cual podremos regular la puesta en marcha o la parada del calefactor tantas veces como sea necesario ahorrando un significativo nivel de consumo de energa. El termostato posee una divisin muy particular: el que cuenta con sensibilizador y el que incorpora una sonda; el primero controla la temperatura y es capaz de captar hasta el mnimo contacto de desnivel de la misma.

El segundo tambin indica los grados en que est funcionando el interior del caldern calefactor pero, mediante el uso de una sonda, consigue una regulacin ms perfecta aprovechando la energa al mximo con un mnimo de gasto econmico. El programador de horario, podremos decirle al equipo cundo deseamos que ste se encienda y se apague automticamente, mientras que con la bomba aceleradora (incorporada dentro del calefactor) es la encargada de convertir el agua fra en caliente y as proporcionar un suministro constante de agua caliente sanitaria.

Los modelos actuales de calderas elctricas que nos ofrece el mercado varan dependiendo el diseo y del uso ornamental que deseemos darle; la mayora de estos calefactores se fabrican en colores blancos o acero, son relativamente pequeos aunque su tamao tambin depender de la potencia y de la cantidad de agua caliente que se quiera proporcionar a la vivienda. Todos incluyen: programadores, bomba aceleradora, purgadores automticos, termostato de control y sus calderones son de acero calor fugado.

Principio de funcionamiento de calderas elctricas:

Para comprender un poco mejor cul es la funcin de cada parte que hemos nombrado, las describiremos una por una; el programador se asemeja a un pequeo robot electrnico mediante el cual podremos regular la puesta en marcha o la parada del calefactor tantas veces como sea necesario ahorrando un significativo nivel de consumo de energa. El termostato posee una divisin muy particular: el que cuenta con sensibilizador y el que incorpora una sonda; el primero controla la temperatura y es capaz de captar hasta el mnimo contacto de desnivel de la misma.

El segundo tambin indica los grados en que est funcionando el interior del caldern calefactor pero, mediante el uso de una sonda, consigue una regulacin ms perfecta aprovechando la energa al mximo con un mnimo de gasto econmico. El programador de horario, podremos decirle al equipo cundo deseamos que ste se encienda y se apague automticamente, mientras que con la bomba aceleradora (incorporada dentro del calefactor) es la encargada de convertir el agua fra en caliente y as proporcionar un suministro constante de agua caliente sanitaria.Las calderas ms comunes son las de los combustibles gaseosos (gas licuado del petrleo).

1.5 GRAFICO CAUDAL DE VAPOR VER PRESION DE OPERACIN DE LOS RANGOS DE TRABAJO DE CADA UNO DE LOS TIPOS DE CALDERA

Ver Anexo 1

2 EXPLIQUE QUE SON Y CUAL ES LA FUNCIN QUE CUMPLEN EN UN SISTEMA DE GENERACIN DE VAPOR

A. INTERCAMBIADOR DE CALOR

El intercambiador de calor engloba a todos aquellos dispositivos utilizados para transferir energa de un medio a otro, sin embargo, en lo que sigue se har referencia nica y exclusivamente a la transferencia de energa entre fluidos por conduccin y conveccin, debido a que el intercambio trmico entre fluidos es uno de los procesos ms frecuente e importante en la ingeniera. Un intercambiador de calor es un dispositivo que facilita la transferencia de calor de una corriente fluida a otra

El intercambiador de calor de una caldera retiene el calor producido por un combustible quemado y lo transfiere al aire o el agua que fluye por el dispositivo para que pueda ser distribuido a travs de una manguera. La vida til estimada de un intercambiador de calor es de entre 15 y 20 aos. Debido a que este dispositivo es el ncleo de la caldera, esta ltima debe reemplazarse cuando el intercambiador de calor comienza a fallar.B. DESAIRADORES O DESGASIDFICADOR

El desgasificador en una caldera se refiere al tanque desaireador de alimentacin de esta. Este tanque tiene 3 funciones principales en una caldera:

Extraer el oxgeno disuelto: no est de ms hacer un anlisis del dao que provoca instalaciones que trabajan con el vital elemento (agua). Calentar el agua de alimentacin: el agua de alimentacin es calentada, para que al entrar a la caldera no sea necesaria tanta energa para llegar a una temperatura de utilizacin. Almacenar agua de alimentacin: la palabra lo indica, el desaireador es un tanque que est a continuacin del tanque cisterna. Un desaeredor es un equipo que remueve O2 (aire) de el agua de alimentacin a calderas (BFW) ya que el oxigeno es altamente corrosivo en los circuitos de vapor. Termodinmicamente es un equipo que generar uno o varias etapas de equilibrio al poner en contacto una solucin saturada de O2 y una corriente de vapor puro. El equilibrio qumico desplaza O2 de la corriente liquida saturada a la corriente de vapor puro para cumplir con y (vap) = H*x (liq) (Henry o equivalente)

C. PRECALENTADOR DE AIRE

Los Pre calentadores de aire al igual que los economizadores extraen calor de los gases de combustin con temperaturas relativamente bajas. La temperatura del aire de entrada es menor que la del agua que entra al economizador y por tanto es posible reducir an ms la temperatura de los productos gaseosos de la combustin antes de que se descarguen en las chimeneas El calor que se recupera de los gases de la combustin se recicla al hogar junto con el aire de combustin y cuando se agrega a la energa trmica liberada por el combustible, se convierte en energa disponible para la absorcin en la unidad generadora devapor, conuna gananciaen laeficiencia trmicaglobal. El uso de aire pre calentado para la combustin acelera la ignicin y fomenta una combustin rpida y completa del combustible Loscalentadoresdeaireseclasificanengeneralcomo:Recuperativoso Generativos. En ambos se usa la transferencia por conveccin del calor, de la corrientedelgasaunmetalounasuperficieslidaylatransferenciapor conveccin de esta superficie al aire.

D. TORRE DE ENFRIAMIENTO

Son equipos que se usan para enfriar agua en grandes volmenes porque, son el medio ms econmico para hacerlo, si se compara con otros equipos de enfriamiento como los cambiadores de calor donde el enfriamiento ocurre a travs de una pared. En el interior de las torres se monta un empaque o relleno con el propsito de aumentar la superficie de contacto entre el agua caliente y el aire que la enfra. En las torres se colocan deflectores o eliminadores de gotas o niebla que atrapan las gotas de agua que fluyen con la corriente de aire hacia la salida de la torre, con el objeto de disminuir la posible prdida de agua. Las Torres de refrigeracin son estructuras para refrigerar agua y otros medios a temperaturas muy altas. El uso principal de grandes torres de refrigeracin industriales es el de rebajar la temperatura del agua de refrigeracin utilizada en plantas de energa, refineras de petrleo, plantas petroqumicas, plantas de procesamiento de gas natural y otras instalaciones industriales.

Con relacin al mecanismo utilizado para la transferencia de calor los principales tipos son: Torres de refrigeracin hmedas funcionan por el principio de evaporacin, (ver refrigerador inundado) Torres de refrigeracin secas funcionan por transmisin del calor a travs de una superficie que separa el fluido a refrigerar del aire ambiente.

Con respecto al tiro del aire en la torre existen tres tipos de torres de refrigeracin: Tiro natural, que utiliza una chimenea alta. Tiro inducido, en el que el ventilador se coloca en la parte superior de la torre (impulsan el aire creando un pequeo vaco en el interior de la torre). Tiro mecnico (o tiro forzado), que utiliza la potencia de motores de ventilacin para impulsar el aire a la torre (colocndose en la base).

Las torres de enfriamiento usan la evaporacin del agua para rechazar el calor de un proceso tal como la generacin de energa elctrica. Las torres de enfriamiento varan en tamao desde pequeas a estructuras muy grandes que pueden sobrepasar los 220 metros de altura y 100 metros de longitud. Torres ms pequeas son normalmente construidas en fbricas, mientras que las ms grandes son construidas en el sitio donde lo requieran.

E. CONDENSADORES

Son aparatos en los cuales se condensa el vapor de escape procedente de maquinas y turbinas, y de donde el aire y otros gases no condensables son evacuados en forma continua. Dos son las ventajas que pueden considerarse empleando condensadores en las mquinas y turbinas de vapor: 1) Disminucin de la presin de escape, con el consiguiente aumento de energa utilizable2) Recuperacin del condensado para utilizarlo como agua de alimentacin para las calderas. En la mayora de las centrales productoras de vapor la recuperacin del condensado es muy importante, constituyendo una necesidades de la mayora de las aplicaciones martimas. El agua de alimentacin de las calderas tomadas de lagos, ros o mares, debe vaporizarse o tratarse apropiadamente antes de introducirla en los generadores de vapor. Con la tendencia a hacer trabajar las calderas a presiones y temperaturas cada vez ms elevadas, ha aumentando la necesidad de trabajar con aguas de alimentacin puras, dando como resultado quela mayora de los condensadores instalados sean del tipo de superficie, los cuales permiten recuperar el condensado.

F. ECONOMIZADORES

Los economizadores son superficies termointercambiadoras constituidas por bancos tubulares que se utilizan para calentar el agua de alimentacin de la caldera en las siguientes situacionesAntes de que entre en el caldern (para el caso de unidades con recirculacin) A antes de que llegue a las superficies del hogar (si son unidades de proceso directo o de un paso)Los economizadores reducen la posibilidad de que se presenten choques trmicos y grandes fluctuaciones en la temperatura del agua de alimentacin de la caldera, que llega a las paredes de tubos de agua que configuran el hogar o que entra en el caldern. El economizador suele ser la ltima superficie termo intercambiadora refrigerada por agua, que se encuentra aguas arriba, en el lado de humos, del calentador de aire. Los economizadores y calentadores de aire recuperan la energa de los humos, antes de ser evacua-dos a la atmsfera, y son necesarios para obtener una alta eficiencia en la caldera. Los economizadores recuperan parte de esa energa precalentando el agua de alimentacin de la caldera, y los calentadores del aire comburente En comparacin con las paredes de agua del hogar, el sobrecalentador, el recalentador, los economizadores y los calentadores de aire, requieren mayores superficies termo intercambiadoras, por unidad de calor recuperado, lo que es debido a la pequea diferencia que existe entre la temperatura de los humos(fluido caliente) y la temperatura del fluido fro a calentar, agua o aire.

G. RECALENTADORES

El recalentamiento se logra por medio de dispositivos llamados recalentadores, que son una especie de sobre calentadores. Los sistemas de recalentamiento generalmente regresan el vapor aproximadamente a la misma temperatura a la que suministra el sobre calentador, sin embargo, la presin del vapor regresado es mucho ms baja.La funcin del recalentador en la caldera es la de volver a sper calentar este vapor a una temperatura deseada.En el ciclo de Rankine el recalentador se coloca en la salida del generador de vapor para aumentar an ms la temperatura del vapor antes de ser introducido a la turbina con el fin de aumentar la eficiencia del ciclo, cierta cantidad de este vapor ya expandido en la turbina es utilizado en los calentadores de agua que pueden ser de tipo cerrado o abierto

H. SOBRECALENTADORES Se la llama sobrecalentamiento a la produccin de vapor a temperaturas mayores a las de saturacin y la temperatura agregada se llama grado de sobrecalentamiento. El vapor sobrecalentado no tiene arrastre de humedad; en consecuencia es menos abrasivo y corrosivo que el vapor saturado hmedo, que contiene gotitas y neblinas de agua. Para el impulso de una turbina la condicin de sequedad es imperativa, para maquinas de vapor embolo, es deseable. El sistema de sobre calentadores est formado por un sistema de tubos que se interponen al paso de los gases, el sobrecalentado es el elemento importante de la unidad generadora, al que se le inyecta vapor saturado de la caldera misma de modo que el vapor recibe una cantidad adicional de calor que procede de los gases de combustin.

3. DESCRIBIR LOS SIGUIENTES CICLOS

A. CICLO DE CARNOT

El Ciclo llamado de Carnot es un ciclo reversible que consta de cuatro tramos: dos a temperatura constante (dos procesos isotrmicos), y otros dos sin absorcin ni cesin de calor (dos procesos adiabticos). Es decir, se trata de una transformacin bitrmica (entre dos temperaturas).El rendimiento terico:Como en todas las transformaciones bitrmicas, el rendimiento viene dado por

Donde W representa el trabajo producido durante la transformacin y Q1 el calor que absorbe del foco caliente. Puesto que no hay variacin de energa interna, por tratarse de un proceso cclico, se tiene que por el Primer Principio de la Termodinmica es es decir, se tiene que W=Q1-Q2.

EL CICLO DE CARNOT DE UN GAS PERFECTO:

Cuando el sistema que evoluciona en un Ciclo de Carnot es un gas ideal, tanto el calor absorbido como el calor cedido se puede determinar muy fcilmente, puesto que sabemos que en las transformaciones isotermas se verifica que el trabajo necesario para una expansin viene dado por la relacin tambin sabemos que cuando no hay transvase de calor se verifica la relacin temperatura- volumen dada por

Esto quiere decir, analizando los cuatro tramos del Ciclo de Carnot para este tipo de sistema gaseoso:

Primer proceso: Expansin isotrmica a temperatura T1 absorviendo calor Q1, con paso del volumen V1 al volumen V2:

Segundo proceso: Expansin adiabtica pasando de la temperatura T1 a la temperatura T2, pasando del volumen V2 al volumen V3:

Tercer proceso: Compresin isotrmica a temperatura T2, cediendo calor Q2, con paso del volumen T1, pasando del volumen V3 al volumen V4:

Cuarto proceso: Compresin adiabtica pasando de la temperatura T2 a la temperatura T1, pasando del volumen V4 al volumen V1:

Esto nos permite deducir:

Tambin se deduce entonces que

y el rendimiento:

Este resultado es fundamental. Nos indica que el rendimiento de un Ciclo de Carnot depende exclusivamente de las temperaturas de los focos fro y caliente y no de las cantidades de calor transvasadas ni del tipo de sustancia con la que funciona el ciclo.Todos los Ciclos de Carnot, operando entre dos temperaturas dadas, tienen el mismo rendimiento:

TEOREMA DE CARNOT

Teorema: El rendimiento de un ciclo cualquiera es inferior al Ciclo de Carnot.

En efecto:

Consideremos un motor de Carnot C y otro motor cualquiera M que trabajan entre los dos mismos focos calorficos, ajustados de manera que produzcan la misma cantidad de trabajo W.

Entonces:

El motor C de Carnot produce el trabajo W y absorbe el calor Q1 del foco caliente, cediendo al foco fro el la diferencia Q1 - W.El motor M realiza tambin el trabajo W y absorbe el calor Q'1 del foco caliente, cediendo la diferencia Q'1 - W al foco fro.Supongamos que el rendimiento R'e del motor M es superior al rendimiento Re del motor C de Carnot. Se tendr:

Hagamos ahora que el motor M accione al motor C de Carnot en sentido inverso para que funcione C como mquina frigorfica. Se tendra el siguiente diagrama:

Observamos que el balance de calor extrado y suministrado al foco caliente es:Extrado: Q1, suministrado: Q1, y como Q1 > Q1 resulta que el balance es el de ceder al foco caliente la cantidad de calor dada por Q1 Q1.

Por otra parte, se ha cedido al foco fro la cantidad de calor Q'1 - W, mientras quese ha absorbido la cantidad de calor Q1 - W, que es mayor, por lo cual el balance es el de absorber calor desde el foco fro.En definitiva, con el dispositivo conjunto de la figura se obtiene como balance total el de pasar calor desde un foco fro a un foco caliente sin recibir trabajo del exterior, lo cual contradice al Enunciado de Clausius del Segundo Principio de la Termodinmica, luego deducimos que la situacin descrita es imposible, o sea, que nunca el rendimiento de un motor dado M puede ser mayor que el rendimiento de un motor de Carnot C. Escribiremos que:

lo cual prueba el teorema.

Corolario: Todos los ciclos de Carnot tienen igual rendimiento.En efecto:

Dados dos motores de Carnot, C1 y C2, si, como se ha hecho en el teorema, suponemos que C1 acciona a C2 para que ste funcione como mquina frigorfica, llegamos a la conclusin de que el rendimiento de C1 no puede ser mayor que el rendimiento de C2, es decir, Re2 Re2 Anlogamente, si es C2 el que acciona a C1 para hacerlo funcionar como mquina frigorfica, deducimos anlogamente que Re1 Re2. En definitiva, por tanto: Re1 Re2.

Del Teorema de Carnot se tiene que para un motor cualquiera M su rendimiento R'e es inferior al rendimiento de Carnot:

Este cociente, pues, es menor que la unidad y se denomina factor de calidad del motor M:

El trabajo desarrollado por un motor cualquiera M, de factor de calidad fc, funcionando entre dos focos de temperatura T1 y T2 es, cuando absorbe una cantidad de calor Q1:

B. CICLO DE RANKINE

El ciclo Rankine opera con vapor, y es el utilizado en las centrales termoelctricas. Consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presin del vapor, que se hace incidir sobre los labes de una turbina, donde pierde presin produciendo energa cintica. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se lica, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentar la presin, y ser de nuevo introducido en la caldera.

Figura 6 ciclo de RankineLa representacin en diagrama p-V de ciclos en los que el fluido se vaporiza, presentan una diferencia con respecto a los ciclos de gas, ya que aparece una campana, llamada de cambio de fase.A la izquierda corresponde al estado lquido, en el que prcticamente no hay modificaciones de volumen, cuando se aumenta su temperatura o su presin. Por ello las isotermas son prcticamente verticales.A la derecha corresponde al estado vapor, aqu el fluido se comporta como un gas, y por ello las isotermas son muy parecidas a las de los gases ideales.Dentro de la campana, el fluido se est evaporando, y las isotermas son horizontales. Esto es as porqu dada una presin, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporacin.El rendimiento ideal de este ciclo tiene es el mismo que el ciclo de Carnot, aunque no alcanza valores tan elevados.

El ciclo de Rankine es en el que se basaban las antiguas mquinas de vapor y locomotoras, utilizaban un cilindro de doble efecto con un componente desplazable llamado corredera que diriga el vapor a un lado u otro del pistn.

Analicemos ms despacio las etapas del ciclo:

En la transformacin 1-2 aumenta la presin del lquido sin prdidas de calor, por medio de un compresor, con aportacin de un trabajo mecnico externo. En la transformacin 2-3 se aporta calor al fluido a presin constante en una caldera, con lo que se evapora todo el lquido elevndose la temperatura del vapor al mximo. La transformacin 3-4 es una expansin adiabtica, con lo que el vapor a alta presin realiza un trabajo en la turbina. La transformacin 4-1consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presin constante en el condensador hasta volver a convertirlo en lquido, y comenzar de nuevo el ciclo.Para optimizar el aprovechamiento del combustible, se somete al fluido a ciertos procesos, para tratar de incrementar el rea encerrada en el diagrama p-V.Precalentamiento del agua comprimida 4-5 aprovechando el calor de los gases que salen por la chimenea de la caldera. Con esto no se aumenta el rea del diagrama, pero se reduce el calor que hay que introducir al ciclo. Recalentamiento del vapor que ha pasado por la turbina 5-6 hacindolo pasar por la caldera y despus por otra turbina de baja presin.

D. CICLO REGENERATIVOa eficiencia del ciclo Rankine es menor que un ciclo de Carnot, porque se aade calor distinto al de la temperatura ms alta. Este defecto se puede compensar usando un ciclo regenerativo. A continuacin se presentan dosmtodos, aunque el primero es muy impractico. En la figura A el liquido se bombea hacia unos serpentines en la turbina para lograr una transmisin de calor. As, podemos decir que el fluido sufre un incremento de temperatura reversible de a hasta b, mientras que se expande y enfra reversiblemente desde d hasta e. La eficiencia trmica de este ciclo regenerativo es igual a la del ciclo de Carnot. La prueba es que en el ciclo existen tres condiciones:El calor es aadido al ciclo a una temperatura constante TA

El calor es rechazado del ciclo a otra temperatura constante TB.

Todos losprocesosson, o los consideramos, reversibles.Ahora, comparando con las condiciones del ciclo de Carnot, vemos que son iguales.Aunque una turbina como la descrita anteriormente se pudiera construir, seria daino para ella ya que aumentara considerablemente la humedad por la disminucin de temperatura.

Podemos sugerir unmtodoalternativo, el cual consiste en extraer una pequea porcin del vapor en la turbina, antes de que se expanda completamente. Esta extraccin se mezcla con l liquido proveniente de una primer bomba en un calentador "abierto" o "por contacto". De esta forma podemos incrementar la temperatura del fluido sin decrementar lacalidaddel vapor en la turbina. Si tuviramos una cantidad infinita de puntos de extraccin a diferentes temperaturas en el proceso de expansin, la diferencia de temperaturas entre el vapor extrado y l liquido proveniente de la bomba seria mnima, lo mismo pasara con la irreversibilidad que se produce al mezclar ambos fluidos.

Para estesistemahipottico, el calor se transfiere solamente en los puntos donde la temperatura es mxima y mnima. Si tenemos un numero finito de puntos de extraccin la irreversibilidad de lasmezclashace que exista una perdida de energa. Aunque estas perdidas se den, la eficiencia trmica de un ciclo regenerativo irreversible puede ser mayor que un ciclo Rankine reversible comn. Esto es posible gracias a que en un ciclo regenerativo el calor se aade a una temperatura promedio mas alta, y por eso un mayor porcentaje de este calor puede ser convertido en trabajo.Dado que la mayor perdida de energa de una planta depotenciase presenta en el condensador, en donde se desecha calor al medio enfriador, es pertinente considerar mtodos de reducir este calor desechado y de mejorar la eficiencia del ciclo.El mtodo mas deseable de calentamiento del condensador seria uno que fuera reversible y continuo. Suponiendo que esto fuera posible el diagrama T-S estara representado por la figura siguiente:

En este diagrama se considera que el vapor esta saturado al inicio de la expansin. La curva 4-5 es paralela a la 3-6 puesto que se postulo que el calentamiento es reversible. Se observara que el incremento de Entropa durante el calentamiento es igual a la disminucin durante la expansin y enfriamiento del vapor, y que el rea 4,5,6,3 es igual al rea 1,2,3,6,7.En la practica, este ciclo ideal se obtiene de forma aproximada permitiendo que el condensado de la bomba dealimentacinse caliente en un calentador o en calentadores separados por el vapor que se extrae de la turbina despues que este se ha expandido en forma parcial y ha realizado un trabajo. El vapor extrado de la turbina puede mezclarse directamente con el condensado (como en un calentador abierto) o bien intercambiar calor en forma directa y condensar (como en un calentador cerrado)

En la figura semuestraun esquema de un ciclo practico:

Se tienen dos tipos de calentadores:

Abierto.- Donde se mezcla el vapor de extraccin y el condensado logrando un liquido saturado.

Cerrado.- Es el mas comn donde se transmite la energa del vapor extrado por conveccin al liquido saturado.

CONCLUSION

Una vez culminada la investigacin y considerando la importancia que tienen los diferentes tipos de caldera, en cuanto a las calderas acuotubulares (el agua est dentro de los tubos), En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefaccin, y estn inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte ms alta, provoque un ingreso natural del agua ms fra por la parte ms baja. Originalmente estaban diseadas para quemar combustible slido. Asimismo, en lo concerniente a las calderas pirotubulares estn concebidas especialmente para aprovechamiento de gases de recuperacin y las elctricas cuentan con una serie de seales de identidad que las han convertido en vitales para muchos negocios. Por otra parte otro de los aspectos tratados en esta investigacin fue sobre las diferentes funciones que cumplen los sistemas de operacin de vapor destacando que todos son importantes y que deben de trabajar en conjunto para que pueda funcionar en perfecto estado la misma caldera. Entre otro de los aspectos resaltantes fue los principios de cada uno de los ciclors como el de Carnot el cual es un proceso cclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotrmicas y dos adiabticas. Dentro del mismo contexto se describi el ciclo de Rankine, el cual es un ciclo termodinmico que tiene como objetivo la conversin de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia, su eficiencia est acotada por la eficiencia termodinmica de un ciclo de Carnot que operase entre los mismos focos trmicos. Cabe resaltar que la eficiencia del ciclo Rankine es menor que un ciclo de Carnot, porque se aade calor distinto al de la temperatura ms alta. Aunado a lo anterior, otro ciclo de relevancia es el regenerativo que consiste, en extraer parte del vapor expandido en la turbina y utilizarlo para suministrar calor al fluido de trabajo, aumentado su temperatura antes de pasar por la fuente principal de calor (Caldera) a una presin determinada. Existen dos tipos de calentadores uno denominado calentador abierto o de contacto directo y el calentador cerrado o cambiador de calor de carcasa y tubos. Por ltimo el ciclo binario es aquel en el que el calor extrado durante el proceso de cesin de calor de un ciclo de potencia se utiliza como calor que entra en otro ciclo de potencia. Para finalizar la investigacin se realizaron las graficas de produccin de vapor donde se reflejaron los rangos de trabajo de los diferentes tipos de caldera.

BIBLIOGRAFA

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