DISEÑO DE UN SAUNA

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

Plantas Industriales 1



Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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.




Mecánica

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.




Mecánica

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.




Mecánica

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




Mecánica

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.




Mecánica

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



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




Mecánica

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




Mecánica

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.




Mecánica

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.




Mecánica

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)




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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:




Mecánica

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.




Mecánica

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:




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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)




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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.




Mecánica

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.




Mecánica

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




Mecánica

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.




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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)




Mecánica

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%




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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.




Mecánica

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




Mecánica

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)




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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)




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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.




Mecánica

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.




Mecánica

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.




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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




Mecánica

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.




Mecánica

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




Mecánica

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.




Mecánica

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.




Mecánica

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.




Mecánica

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 %




Mecánica

≫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




Mecánica

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.




Mecánica

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




Mecánica

¿ juntas=∆ LT

∆ L comp . axial

Compresion axialde=47.5

¿ juntas=43.847.5

≅ 1

Elegimos una junta tipo Piping Technology & Products Inc.




Mecánica

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.




Mecánica

BIBLIOGRAFIA

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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




Mecánica

ANEXOS


Documents

DISEÑO DE UN SAUNA