Lab Maq Termicas Mecanica

5/12/2018 Lab Maq Termicas Mecanica - slidepdf.com

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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA

FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE MECANICA

GUIAS DE LABORATORIO

MAQUINAS TERMICAS

INGENIERIA MECANICA

ABRIL, 2008



UNIVERSIDADTECNOLOGICA

METROPOLITANADepartamento de Mecánica

EXPERIENCIA Nº : 1

TÍTULO : PRUEBAS EN UNA MAQUINA DEREFRIGERACION

ASIGNATURA : MAQUINAS TERMICAS

1. OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA

1.1 OBJETIVOS GENERALES

Analizar las principales etapas de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor, conociendo

operativamente el proceso y la operación de un equipo experimental.

Comprender y reconocer la operación y características de los principales equipos de refrigeración

utilizados en forma industrial y doméstica.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Determinar la producción frigorífica y eficiencias del sistema de refrigeración por compresión de

vapor

Determinar el caudal del refrigerante

Determinar los puntos característicos en un diagrama de p-h (para Freón 12), correspondiente al

estado del refrigerante en los distintos elementos del circuito y reconstruir el ciclo de refrigeración.

2. INTRODUCCION TEORICA

La utilización del frío es un proceso conocido de tiempos antiguos; en el siglo XII los chinos utilizaban

mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; los árabes en el siglo XIII utilizaban métodos químicos de producción de frío mediante mezclas; en los siglos XVI y XVII, investigadores como los Sres. Boyle, Faraday

(con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco) etc., realizan los primeros intentos prácticos de

producción de frío.

En 1834 el Sr. Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y en 1835 el

Sr. Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; el Sr. Tellier construye la primera máquina de compresión

con fines comerciales, el Sr. Pictet desarrolla una máquina de compresión de anhídrido sulfuroso, el Sr. Linde

elabora una máquina de amoníaco, los Sres. Linde y Windhausen construyen la máquina de anhídrido carbónico,

el Sr. Vincent construye la máquina de cloruro de metilo, etc.

En la actualidad la refrigeración presenta un amplio campo en lo que respecta a la conservación de alimentos

(Barcos congeladores de pescado en alta mar, plantas refrigeradoras de carnes y verduras), productos

farmacéuticos y materias para la industria (Plantas productoras de hielo, unidades de transporte de productos

congelados, barcos, aviones, trenes, camiones, etc.), en sistemas de acondicionamiento de aire y calefacción, etc.Esto da una idea del alto interés universal que reviste el frigorífico industrial desde el punto de vista económico,

humano y social.

2.1 CICLOS TERMODINAMICOS

Se pueden enunciar cuatro ciclos termodinámicos, de gas, vapor, cerrado y abierto, los cuales se definen

a continuación:

Ciclo de gas: La sustancia que lo realiza queda durante el ciclo en estado gas.

Ciclo de Vapor: Recorre parte del ciclo en estado vapor y otra parte en estado líquido.

Ciclo cerrado: El fluido de trabajo regresa a su estado inicial al final del ciclo (ej. vapor en una central

térmica).Ciclo abierto: El fluido de trabajo se renueva en cada ciclo. (ej. automóvil).

Con los ciclos antes enunciados se generan dos áreas de trabajo e investigación denominados potencia y

refrigeración. El ciclo de potencia abarca las máquinas térmicas dividiéndose éstas en dos grupos:

Combustión interna: Se quema el combustible.Combustión externa: Uso de calderas, pozo geotérmico, dentro de la frontera del sistema, reactor nuclear, sol

(Centrales eléctricas).





El ciclo de refrigeración abarca los refrigeradores y bombas de calor. Los ciclos reales se aproximan a ciclos

ideales, suponiendo:

El ciclo no implica ninguna fricción. Procesos de expansión y compresión son cuasi estáticos.

Tuberías que conectan las diferentes partes del sistema están bien aisladas.

Se ignoran los cambios de energía cinética y potencial del fluido de trabajo (excepto en toberas).

2.2 MAQUINA DE CARNOT

La máquina de Carnot es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo (imagen Nº 1). En ella

hay un gas sobre el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y contracción entre dos temperaturas. Este

ciclo termodinámico se denomina ciclo de Carnot, es el procedimiento más eficaz para producir un trabajo a

partir de dos focos de temperatura.

Se puede construir a partir de un cilindro sobre el que discurre un pistón unido a una biela que convierte el

movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y lamáquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes T 1 < T 2.

Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas se hace de manera isotérmica, esta parte del proceso es,

por lo tanto, reversible. El ciclo se completa con una expansión y una compresión adiabáticas, por lo que esta

parte del ciclo es también reversible.

Fig 1: Máquina original de Carnot, diagrama de 1824

Funcionamiento General de la Máquina de Carnot

i. Expansión isotérmica: se inicia cuando el gas ocupa el volumen mínimo V min a la temperatura T 2 y a presión

alta. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T 2, haciendo que el gas se

expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T 2 y mantiene su temperatura constante.

El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón. Dado que la temperatura permanece

constante durante esta parte del ciclo, el gas no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T 2 se

convierte en trabajo:

0,0 111 =>= dU dW dQ (i)

i i. Expansión adiabática: la expansión isotérmica termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda

realizarse sin intercambio de calor. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar

exactamente la temperatura T 1 en el momento en que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas

alcanza su volumen máximo V max. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energíainterna:

0,0 222 >== dW dU dQ (ii)

i i i. Compresión isotérmica: se pone en contacto con el cilindro la fuente de calor de temperatura T1 y el gas

comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Durante esta

parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas pero, como la temperatura permanece constante, la energía interna no

cambia y el trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T 1:

0,0 333 =<= dU dW dQ (iii)





iv. Compresión adiabática: la fuente T 1 se retira en el momento adecuado para que durante el resto de la

compresión el gas eleve su temperatura hasta alcanzar exactamente el valor T 2 al mismo tiempo que el volumen

del gas alcanza su valor mínimo V min. Durante esta etapa no hay intercambio de calor y el trabajo realizado sobre

el gas se convierte en energía interna:

0,0 444 ≤== dW dU dQ (iv)

Trabajo realizado

Por la Primera Ley de la Termodinámica, en cada ciclo la máquina realiza un trabajo mecánico dW igual

al calor dQ transferido de T 2 a T 1, lo cual se puede comprobar usando las igualdades obtenidas en cada ciclo:

dQ = dQ1 + dQ3 = dW 1 + dW 3

Donde la segunda igualdad se obtiene de i y iii. Por otra parte, el estado del gas al terminar un ciclo es el mismo

que al comenzarlo, por lo que el cambio de su energía interna debe ser cero:

dU 1 + dU 2 + dU 3 + dU 4 = 0.

De esta igualdad y de i, ii, iii y iv se deduce que dW 2 + dW 4 = 0. Por lo tanto

dQ = dW 1 + dW 3 = dW 1 + dW 2 + dW 3 + dW 4 = dW .

El rendimiento de una máquina de Carnot (el cociente entre el calor absorbido y el trabajo desempeñado) es

máximo y puede calcularse como:

2

11T

T −=η

2.3 CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal reversible entre dos fuentes de temperatura, en el cual elrendimiento es máximo. Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo

puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo

que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina

máquina frigorífica, y si es aportar calor a la fuente caliente bomba de calor.

El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos procesosadiabáticos (aislados térmicamente)

Fig 2: Ciclo de Carnot

i. Expansión isoterma: (proceso 1 → 2 en el diagrama) Se parte de una situación en que el gas se encuentra al

mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro

desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero

absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la

temperatura tampoco lo hace su energía interna, y despreciando los cambios en la energía potencial y la cinética,

a partir de la 1ª ley de la termodinámica vemos que todo el calor transferido es convertido en trabajo:





Desde el punto de vista de la entropía, ésta aumenta en este proceso: por definición, una variación de

entropía viene dada por el cociente entre el calor transferido y la temperatura de la fuente en un proceso

reversible:

Como el proceso es efectivamente reversible, la entropía aumentará

i i. Expansión adiabática: (2 → 3) La expansión isoterma termina en un punto tal que el resto de la expansión

pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no haytransferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar

exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye

su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso:

Esta vez, al no haber transferencia de calor, la entropía se mantiene constante:

i i i. Compresión isoterma: (3 → 4) Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y elgas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no

cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer untrabajo sobre el sistema:

Al ser el calor negativo, la entropía disminuye:

iv. Compresión adiabática: (4 → 1) Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y

aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que

comunicar un trabajo al sistema:

Al ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor, por lo tanto la entropía no varía:

Trabajo del ciclo

Por convención de signos, un calor o un trabajo positivos significan que el trabajo se realiza sobre el sistema,mientras que un signo negativo significa lo contrario. Es decir, un trabajo negativo significa que el trabajo es

realizado por el sistema.

Con este convenio de signos el trabajo obtenido deberá ser, por lo tanto, negativo. Tal como está definido, y

despreciando los cambios en energía mecánica, a partir de la primera ley:





Como dU (diferencial de la energía interna) es una diferencial exacta su valor es el mismo al inicio y al final

del ciclo, y es independiente del camino, la integral de dU vale cero, con lo que queda:

Por lo tanto, en el ciclo el sistema ha realizado un trabajo sobre el exterior

Teoremas de Carnot

i. No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor

rendimiento que una de Carnot.

Para demostrarlo supondremos que no se cumple el teorema, y se verá que el no cumplimiento trasgrede la

segunda ley de la termodinámica. Tenemos pues dos máquinas, una llamada X y otra, de Carnot, R, operando

entre las mismas fuentes térmicas y absorbiendo el mismo calor de la caliente. Como suponemos que

y por definición

Donde y denotan el trabajo producido y el calor cedido a la fuente fría respectivamente, y los

subíndices la máquina a la que se refieren. Como R es reversible, se puede hacer funcionar como máquina

frigorífica. Como , la máquina X puede suministrar a R el trabajo que necesita para

funcionar como máquina frigorífica, y X producirá un trabajo neto . Al funcionar en sentido

inverso, R está absorbiendo calor de la fuente fría y está cediendo calor a la caliente.El sistema formado por las dos máquinas funciona cíclicamente realizando un trabajo e

intercambiando un calor con una única fuente térmica, lo cual va en contra del segundo

principio de la termodinámica. Por lo tanto:

i i. Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento.

Igual que antes, suponemos que no se cumple el teorema y veremos que se violará el segundo principio.

Sean R 1 y R 2 dos máquinas reversibles, operando entre las mismas fuentes térmicas y absorbiendo el mismo

calor de la caliente, con distintos rendimientos. Si es R 1 la de menor rendimiento, entonces .

Invirtiendo R 1, la máquina R 2 puede suministrar el trabajo para que trabaje como máquina frigorífica, y

R 2 producirá un trabajo .

El sistema formado por las dos máquinas funciona cíclicamente realizando un trabajo e

intercambiando un calor con una única fuente térmica, lo cual va en contra de la segunda ley.

Por lo tanto:

Rendimiento

A partir del segundo teorema de Carnot se puede decir que, como dos máquinas reversibles tienen el mismo

rendimiento, este será independiente de la sustancia de trabajo de las máquinas, las propiedades o la forma en la

que se realice el ciclo. Tan solo dependerá de las temperaturas de las fuentes entre las que trabaje. Si tenemos

una máquina que trabaja entre fuentes a temperatura T1 y T2, el rendimiento será una función de las dos como

variables:





Por lo tanto, el cociente entre los calores transferidos es función de las temperaturas de las fuentes. Nótese

que como, por la segunda ley de la termodinámica, el rendimiento nunca pude ser igual a la unidad, la función f

está siempre definida.

Consideremos ahora tres máquinas que trabajan entre fuentes a temperaturas tales que T 1 > T 3 > T 2. La

primera máquina trabaja entre las fuentes 1 y 2, la segunda entre 1 y 3, y la tercera entre 3 y 2, de modo quedesde cada fuente se intercambia el mismo calor con las máquinas que actúan sobre ella. Es decir, tanto la

primera máquina como la segunda absorben un calor Q1, la segunda y la tercera ceden y absorben Q2

respectivamente y la primera y la tercera ceden Q3. De la ecuación anterior podemos poner, aplicada a cada

máquina:

Aplicando relaciones matemáticas:

Como el primer miembro es función solamente de T1 y T2, también lo será el segundo miembro,

independientemente de T3. Para que eso se cumpla f debe ser de la forma

De las distintas funciones que satisfacen esa condición, la más sencilla es la propuesta por Kelvin, Φ(T ) = T ,

con lo que el cociente entre calores queda

Trasladando este cociente a la definición de rendimiento:

Otra forma de llegar a este resultado es por medio de la entropía, definida como

De ahí se puede sacar los calores transferidos en los procesos 1→ 2 y 3→ 4:

Como puede observarse, el calor transferido con la primera fuente es positivo y con la segunda negativo, por

el convenio de signos adoptado.

Teniendo en cuenta que para calcular el rendimiento de un ciclo se utilizan los valores absolutos de los

trabajos y calores





Se tiene finalmente el resultado deseado:

2.4 CICLO REAL

Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro

tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasi

estático y sin efectos disipativos. Los efectos disipativos se reducen minimizando el rozamiento entre las

distintas partes del sistema y los gradientes de temperatura; el proceso es cuasi estático si la desviación del

equilibrio termodinámico es a lo sumo infinitesimal, esto es, si el tiempo característico del proceso es mucho

mayor que el tiempo de relajación (el tiempo que transcurre entre que se altera el equilibrio hasta que se

recupera). Por ejemplo, si la velocidad con la que se desplaza un émbolo es pequeña comparada con la del

sonido del gas, se puede considerar que las propiedades son uniformes espacialmente, ya que el tiempo de

relajación mecánico es del orden de V 1/3 /a (donde V es el volumen del cilindro y a la velocidad del sonido),

tiempo de propagación de las ondas de presión, mucho más pequeño que el tiempo característico del proceso,V 1/3

/w (donde w es la velocidad del émbolo), y se pueden despreciar las irreversibilidades.

Si se hace que los procesos adiabáticos del ciclo sean lentos para minimizar las irreversibilidades se hace

imposible frenar la transferencia de calor. Como las paredes reales del sistema no pueden ser completamente

adiabáticas, el aislamiento térmico es imposible, sobre todo si el tiempo característico del proceso es largo.

Además, en los procesos isotermos del ciclo existen irreversibilidades inherentes a la transferencia de calor. Por

lo tanto, es imposible conseguir un ciclo real libre de irreversibilidades, y por el primer teorema de Carnot la

eficiencia será menor que un ciclo ideal.

2.5 CICLO DE COMPRESION DE VAPOR DE UNA ETAPA

En la práctica no se utiliza el compresor isotérmico y el expansor se reemplaza por una válvula de

estrangulación. El circuito resulta más simple y la eficiencia resulta ser menor que en el ciclo de Carnot. Eltrabajo de compresión resulta mayor, puesto que la compresión isotérmica se reemplaza por una compresión

adiabática, y no se recupera el trabajo que realizaría el fluido en el expansor.

La estrangulación del refrigerante en la válvula es un proceso isoentálpico y el calor extraído en el

evaporador resulta entonces ser menor. La figura muestra el ciclo de compresión de una etapa.

Fig 3: Ciclo de compresión de una etapa

En este caso la eficiencia (ec) se expresa por medio de las entalpías (h) en los distintos estados.

W Q

hhhhe

hhQ

hhW

E c

E

=−

−=

−=

−=

1'2

'41

'41

1'2

En un diagrama presión (P-h), el ciclo de compresión se muestra en la siguiente figura





Fig 4: Diagrama P-h del ciclo de compresión

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El laboratorio cuenta con una unidad de refrigeración por compresión de vapor para uso docente, esta

unidad utiliza como refrigerante el Freón 12 y posee un compresor, un condensador, un evaporador, una cámara

de frío, un juego de tubos capilares como elementos constitutivos principales.

Las mediciones se deben realizar cuando el sistema se encuentra en régimen permanente, debiéndose

registrar a lo menos las presiones, temperaturas, corrientes y voltajes del sistema.

Considerar el balance de energía para el condensador (1) y para el evaporador (2), según se indica:

( )

( )eeseFreón

scecFreónO H O H

hhm I V

hhmT Cpm

−⋅=⋅⋅

−⋅=Δ⋅⋅

−

−

12

12

86,0

22

&

&&

De las anteriores se obtiene que:

eese

scecO H O H

hh

hh

I V

T Cpm

−

−=

⋅⋅

Δ⋅

86,0

22

Pero como la entalpía a la salida del condensador (hsc), es igual a la entalpía a la entrada del evaporador

(hse) y debido a que la estrangulación es isoentálpica, éstas se pueden calcular.

La entalpía a la entrada del condensador (hec) es igual a la salida del compresor y se determina por la presión y temperatura. La entalpía a la salida del evaporador (hse) corresponde a la presión del sistema.

3.1 EXPERIENCIA

La experiencia comienza con el reconocimiento y posterior individualización de todos los componentes

con que cuenta la unidad de refrigeración, a continuación se debe fijar el termostato de la cámara de frío a

aproximadamente -5 ºC. Cuando la cámara logra la temperatura deseada, ésta deja de funcionar y se debe

obtener la lectura de cada instrumento de medición, repetir lo descrito anteriormente para los tres capilares.

Con los datos obtenidos se debe determinar:

1. La producción frigorífica.

2. Las eficiencias e y ec.3. La eficiencia global del sistema.

4. El rendimiento del circuito.

5. El caudal del refrigerante.

6. Efecto refrigerante.

7. Capacidad de refrigeración.

8. Toneladas de refrigeración

9. Coeficiente de operación.





10. Determinar los puntos característicos en un diagrama de p-h (para Freón 12), correspondiente al estado

del refrigerante en los distintos elementos del circuito y reconstruir el ciclo de refrigeración.

11. Realizar un estudio de los refrigerantes más utilizados en la actualidad, indicando a lo menos

características, diferencias técnicas entre ellos, puntos propios y efectos de éstos en el medio ambiente.

4. CONTENIDO DEL INFORME

El contenido del informe deberá abarcar el desarrollo mínimo de los siguientes contenidos

fundamentales: Teoría fundamental del experimento, objetivos de la experiencia, esquema de instalación,

características técnicas de los equipos e instrumentos empleados, descripción del método seguido o

procedimiento experimental, presentación de los resultados (tablas, gráficos, etc.), discusión de los resultados,

conclusiones.

5. EVALUACION

El informe que debe entregar el alumno será evaluado de acuerdo a la siguiente ponderación:

Introducción, objetivos, marco teórico 0.5 pto.

Descripción de instalaciones y equipos 0.5 pto.

Descripción de la metodología utilizada 0.5 pto.

Presentación de resultados 3.5 ptos.

Discusión de resultados y conclusiones 2.0 ptos.

A la suma de los puntos indicados, se agregará el punto base correspondiente.

6. BIBLIOGRAFIA

DOOLITTLE J. S. “El Laboratorio del Ingeniero Mecánico” Mc Graw-Bill Bock Company, New York 19

Edc. en castellano por Edit. Hispano Americana S.A. Buenos Aires- Argentina, 1971.

H. P. HOLMANN “Métodos Experimentales para Ingeniero” Libros Mc Graw-Hill de México S.A. de C.

V., 1977.

W. H. SEVERNS “La Producción de Energía Mediante el Vapor de Agua, el Aire y los Gases”. Edit.

Reverté 1973.

GORDON J. VAN WYLEN “Fundamentos de Termodinámica Básica”, Ed. Limusa S.A., 1973

CENGEL, J. BOLES, M "Termodinámica de ingeniería", Mc Graw Hill, 2002





EXPERIENCIA Nº : 2

TÍTULO : RECONOCIMIENTO DE CALDERA



1.1 OBJETIVO GENERAL

Realizar el estudio de las calderas desde un punto de vista descriptivo, analizando los diversos tipos, con susventajas e inconvenientes, e indicando las características particulares de cada una.


Definir un criterio de decisión para decidir sobre la caldera más conveniente o el diseño más lógico paraun determinado requerimiento.

Observar en terreno los equipos y componentes de un generador de vapor, determinándose los parámetrosque deben ser controlados y las mediciones que deben ser efectuadas.

Asimilar acerca de la mantención, operación y seguridad de calderas, de acuerdo al Decreto N°48 delMINSAL, 1984.


Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que utilizan el calor de un

combustible sólido, líquido o gaseoso, para vaporizar el agua produciendo elevadas temperaturas.Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc.,

hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primeramáquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo, ya que utilizaba vapor húmedo (de bajatemperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.

Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo,que usó en su propia fábrica.

La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormentepor James Watt en 1776. Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua decilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continúa enel presente.

Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como

agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajasencontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por kW de potencia, necesidad deun mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.

Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas enlocomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros.

2.1 CLASIFICACIÓN DE LAS CALDERAS

Las calderas se pueden clasificar de acuerdo a la disposición de los fluidos (Acuotubulares y Pirotubulares),por su configuración (verticales y horizontales), por el mecanismos de transmisión de calor dominante(convección, radiación y radiación- convección), por el combustible empleado (combustibles sólidos,combustibles líquidos, combustibles gaseosos, combustibles especiales como licor negro, bagazo, etc.), de

recuperación de calor de gases (mixtas y nucleares), por el tiro (de tiro natural, de hogar presurizado y de hogarequilibrado), por el modo de gobernar la operación (de operación manual, semiautomáticos y automáticos) y porla naturaleza del servicio que prestan (fijas, portátiles, locomóviles y marinas).





Clasificación según la disposición de fluidos.

a) Acuotubulares

Las calderas acuotubulares se caracterizan por ser de potencia media y grande, además tienen la ventajade ser de menor diámetro y dimensiones, pero capaces de producir una presión mayor de trabajo.

Este tipo de calderas funciona haciendo circular agua por tubos longitudinales que se localizan alrededordel hogar, de este modo se transfiere el calor de la combustión al agua, provocando su ebullición. Latransferencia de calor se produce por radiación. En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se empleanpara aumentar la superficie de calefacción, están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por laparte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estabandiseñadas para quemar combustible sólido. La producción del vapor de agua depende de la correspondencia queexista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura. Acualquier temperatura, por baja que ésta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuyaconvenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a cualquier presión puede servaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.

Estas calderas se usan en centrales termoeléctricas e instalaciones industriales generalmente.Dentro de sus ventajas se encuentra que pueden trabajar a muy altas presiones, su eficiencia

térmica es mejor que la pirotubular, es una caldera inexplosible, su sistema es de operación automáticay usa vapor seco por lo que se aprovecha mejor la transmisión de calor.

Dentro de sus inconvenientes está que es de mayor tamaño y peso, lo que implica un mayor costo.Además, debe ser alimentada con agua de gran pureza.

Fig 1: Caldera acuotubular

b) Pirotubulares

En estas calderas los gases calientes pasan por el interior de los tubos, los cuales se hallan rodeados deagua. Las calderas pirotubulares pequeñas, junto con las máquinas de vapor correspondientes, han sidodesplazadas en su mayoría por los motores de combustión interna en la producción de energía destinada alaccionamiento de hormigoneras, grúas portátiles y grupos para extinción de incendios.

Funciona haciendo circular los gases de la combustión por tubos sumergidos en agua, de esta forma elcalor se transfiere por convección al agua. La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada debrida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos. Elacceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal yposterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión.

Las calderas pirotubulares generalmente tienen un hogar integral (denominado caja de fuego) limitadopor superficies enfriadas por agua. El cuerpo de caldera está formado por un cilindro de disposición horizontal,el cual incorpora interiormente un paquete multitubular (pirotubos) de transmisión de calor y una cámarasuperior de formación y acumulación de vapor.

En la actualidad, las calderas pirotubulares horizontales con hogar integral se utilizan en instalaciones decalefacción a baja presión, producir potencias pequeñas, medias. Y algunos tipos más grandes para producirvapor a presión relativamente menor, destinada a calefacción y a producción de energía.

Dentro de sus ventajas se encuentra que hay menor peligro de sobrecalentamiento, es menos propensa afallos debido a impurezas del agua, por lo que tratamiento de aguas es menos restrictivo y su funcionamiento esmás estable.

Sin embargo, presenta algunos inconvenientes como que toma mayor tiempo para subir presión y entraren funcionamiento y no son empleables para altas presiones.





Fig 2: Caldera pirotubular

Por su configuración

a) Verticales

Las calderas verticales OLMAR, se construyen con producciones que varían desde la obtención de 70kg/h hasta 1.200 kg/h y a unas presiones comprendidas entre 2 y 14 kg/cm2.

Están especialmente diseñadas para pequeñas industrias tales como tintorerías, lavanderías, lácteos,panaderías. Son para líquidos o para productos asimilables a gases.

Se utilizan distintos tipos de combustibles, pero no solo los líquidos, sino que las calderas verticalesOLMAR, permiten la construcción de hogares especiales para combustibles sólidos, tales como orujillo, madera,e incluso en algunos casos se fabrican con hogares mixtos para combustibles sólidos-líquidos.

Ventajas:

• La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseñohasta 350 psi.

• Se fabrican en capacidades de 20 HP hasta 2,000 HP.• Por su fabricación de tubos de agua es una caldera "INEXPLOSIBLE".• La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y

6 pasos dependiendo de la capacidad.• El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos.• Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los requerimientos de normas.• Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática.• Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-combustible a presión.• Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel.• El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de

transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera detubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas detransmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.

Fig 3: Esquema caldera vertical

b) Horizontales

Consiste en una combinación de parrilla, altar de refractario, puertas de carga, cenicero, cenicero ycámara de combustión. Las superficies interiores de las paredes del hogar están revestidas de refractario. Elcuerpo de la caldera se halla suspendido de vigas de hierro mediante tirantes. Las calderas de menos de 150 cmde diámetro suelen descansar sobre la obra de ladrillo por medio de orejas salientes. Los gases calientes pasan





por encima del altar y, a continuación, lamen todo el fondo de la caldera, volviendo a la parte frontal de la mismapor el interior de los tubos. Finalmente, del extremo frontal de éstos, los productos de la combustión pasan a lachimenea. El diámetro de los tubos puede ser 3, 31/2 y 4 pulgadas, según sea el combustible empleado. Lascalderas HRT de tipo standard se construyen de acuerdo con el Reglamento de Calderas de la ASME (American

Society of Mechanical Engineers). Los diámetros del cilindro o cuerpo de estas calderas están comprendidosentre 91 y 213 cm; la longitud de los tubos correspondientes, entre 3 y 6 metros; las presiones relativas del vaporllegan hasta 12 [kg/cm2]; Y las superficies de caldeo se hallan comprendidas entre 13 y 225 [m2].

Estas calderas se utilizan en pequeñas centrales industriales. Además, las calderas con tubos de retornosno son apropiadas para grandes centrales térmicas debido a sus pequeñas capacidades de producción de vapor,presiones limitadas y pequeñas velocidades de producción de vapor. Son para carga alta, y se limpian bien. Seusan sobre todo para residuos sólidos

Algunas de sus ventajas son su bajo costo inicial, gran capacidad, facilidad de limpieza y gran volumende agua.

Fig 4: Esquema caldera horizontal

Por el mecanismos de transmisión de calor dominante

Por radiación

Los romanos lo llamaban "Hipocasus", en la España medieval "Glorias". Se trata de introducir calor en elsuelo y dejar que la radiación ambiente las casas. El suelo radiante es un sistema de distribución de caloradaptable a cualquier fuente de energía, basado en un concepto antiguo de calefacción. Esto se conseguíaconstruyendo canales por debajo del suelo y haciendo circular el aire caliente por ellos. Hoy la versión moderna,es instalar en el solado tubos de polietileno reticulado Pex. Los tubos se colocan de 3 a 5 cms., por debajo de lasuperficie, con una separación de 10 a 30 cms., entre ellos. Haciendo circular por los tubos agua entre 35º y45ºC, el suelo se mantiene entre 20º y 28º C y el ambiente entre 18º y 22º C. El calor aportado por el sueloradiante es uniforme en toda la vivienda. Una importante condición para el confort humano es que, entre elpunto más caliente y más frío de la casa, no haya una diferencia de temperatura superior a 5º C. El calor vienedel suelo y llega hasta una altura de 2 a 3 m, justo donde se necesita.

Por lo general se aplica en viviendas y se puede aplicar a todas las fuentes de energía convencionales

(Gasoil, Gas, Electricidad) y alternativas.Dentro de sus ventajas está la estética, al no haber aparatos de calefacción en la casa resultando la decoraciónbeneficiada y es saludable, por el agradable y uniforme calor de la vivienda, asegurando el suelo un ambientesano y limpio, sin acumulación de polvillo quemado, sin turbulencias de aire y sin resecar el ambiente.

Por el combustible empleado

Combustibles sólidos

El combustible sólido viruta de madera procedente del silo pasa a un depósito de alimentacióndosificador con indicadores de nivel y rascador motorizado. La viruta se ve empujada hacia el brasero de lacaldera por un sinfín helicoidal accionado por un variador de velocidad.

La llama se alimenta con el aire de insuflación puesto en movimiento por tres ventiladores separados enaire primario que circula en la parte inferior de la caldera por medio de uno de ellos y el aire secundario quecircula por la parte superior mediante dos ventiladores.

El calor así producido calienta las paredes internas de la caldera y el intercambiador; los humos decombustión pasan a través del intercambiador y se eliminan por medio de un canal de evacuación.

De este canal, los humos pasan a un filtro (ciclón) de inversión de velocidad para depositar las cenizastransportadas por el humo y evitar su salida al exterior, cumpliendo con la Normativa Europea, a un contenedorde cenizas incluido en nuestras instalaciones.

Un ventilador especial para humos impulsa a los mismos al exterior, a través de la chimenea.





Todos los elementos de unión entre caldera, ciclón y chimenea son de acero inoxidable.El agua que está dentro de la caldera se calienta mediante el calor cedido por el intercambiador.

La gama de calderas va desde una potencia térmica neta de 80.000 kcal/h hasta 2.500.000 kcal/hdestinada a la producción de agua caliente a +90ºC, estando expresamente concebida y realizada para utilizar

combustibles sólidos o como alternativa líquidos o gaseosos.La estructura de autosustentación está realizada en chapa de acero de grueso espesor, con cámara de

combustión de gran volumen provista de un portillo de paso de hombre para la carga que, eventualmente, serealice de forma manual del material de mayor tamaño y para la limpieza periódica del brasero, se dispone comoopción de extracción automática de las cenizas.

Cuando se emplea como combustible corteza de pino, el diseño y la construcción de la cámara decombustión es especialmente grande, lo que permite una combustión completa de la madera y su resina, evitandoque las cenizas puedan obstruir la misma.

Fig 5: Esquema de instalación

En la instalación se puede ver claramente el depósito de alimentación (el producto debe de venirpreviamente triturado, espesor de 0 a 15 mm), conjunto sinfín helicoidal con todos sus accesorios

contraincendio, caldera propiamente dichas, extractor de cenizas del hogar automático, chimenea y ciclóndepurador de humos.

Recuperación de calor de gases

Las calderas convencionales queman el combustible con cantidad mínima de aire, a fin de minimizar laspérdidas por la chimenea, que asegura la combustión correcta. Las temperaturas que alcanzan los gases decombustión son altas, la diferencia de temperatura con el agua, o vapor, es grande, el flujo de calor es elevado ylas dimensiones de la superficie de intercambio de calor pueden ser relativamente pequeñas.

En las instalaciones de cogeneración se dispone de gases calientes, motores de combustión y turbinas degas, a temperaturas no muy elevadas, que se utilizan para generar calor. Los recuperadores de calor empleadosen estos casos se denominan calderas de recuperación.

Para una misma potencia térmica, las dimensiones de estas calderas son considerablemente mayores, lacantidad de gases es mucho mayor y no tienen zona radiativa.Dado que, en la mayoría de los casos, los gases de escape que llegan a estas calderas son ricos en

oxigeno, pueden utilizarse para quemar más combustible (postcombustión), si es necesario puede añadirse másaire, y aumentar la cantidad de calor generado sin modificar la potencia eléctrica del cogenerador. Así tenemoslas calderas de recuperación de recuperación con o sin postcombustión.

Las funciones de calderas de recuperación son:• Enfriamiento de gases de la salida de un proceso para recuperar calor en forma de vapor (vapor deproceso)• Enfriamiento rápido (quenching) para "congelar" productos generados a alta temperatura





• Recuperación de calor de gases de combustión

Algunos de los problemas principales son las muy altas temperaturas de gases, problemas locales detubos secos y mala distribución del caudal del agua.

Por el tiro

a) De tiro natural

La caldera abierta de tiro natural (atmosférica) toma el aire necesario para la combustión del propio localdonde está instalada y expulsa los gases al exterior por un tubo de evacuación que aprovecha el efecto chimenea(tiro natural).

b) De hogar presurizadoEl hogar y la cámara de retorno de gases de combustión de alta temperatura están sumergidos

totalmente, que hacen innecesaria la utilización de materiales refractarios o aislantes en contacto con

fuego, obteniéndose así, un alto rendimiento térmico y larga vida útil, sin mantenimiento. Con tapasadelante y atrás desmontables, que permiten una fácil inspección de tubos. Estas calderas se encuentranaptas para combustibles: Fuel-oil, Gas-oil o Gas.

Por la naturaleza del servicio que prestan

Locomóviles: Este nombre lo recibe el conjunto de caldera y máquina a vapor que se emplea frecuentemente entareas agrícolas. La caldera puede ser de hogar rectangular, como la locomotora, o cilíndrico. La máquina semonta sobre la caldera, y puede ser de uno o dos cilindros. Todo el conjunto se monta sobre ruedas y mazos parael traslado a tiro. Esta caldera tiene el hogar interior limitado en cuatro caras por superficies enfriadas por agua.La parte alta del hogar, denominada coronamiento, se halla bajo el nivel del agua. Los gases pasan del hogar a lasalida de humos por el interior de tubos rectos. En la figura que se presenta a continuación aparecen los virotillos

necesarios para sujetar las superficies curvas y planas sometidas a la presión de vapor, no sostenidas por lospirotubos. En las calderas tipo locomóvil los gases calientes no están en contacto con la superficie externa delcuerpo de la caldera y por esta razón pueden trabajar a presiones más elevadas que las calderas pirotubulares, lascuales tienen parte de su superficie externa expuesta al calor irradiado por el combustible ardiendo y a la acciónde los gases calientes que salen del hogar. Sus presiones de trabajo suelen estar en 250 psi y su capacidad es dealrededor de 1,000- 15,000 lb/h de vapor.

Dentro de sus ventajas se puede considerar:• Ser portátiles• Servicio continuo• Excelente con un coste de entretenimiento mínimo en condiciones de trabajo severas• Gran capacidad de producción de vapor en comparación a su tamaño.Dentro de sus desventajas se puede considerar:• Pequeña velocidad de circulación del agua• Grandes superficies metálicas planas que exigen un arriostrado considerable a base de virotillos

y remaches.


Dentro de la experiencia se realizará: Una breve descripción de los generadores de vapor y sus componentes, incluyendo la clasificación,

normas de mantención y seguridad Una demostración en terreno del funcionamiento de una caldera, observando en detalle sus dispositivos

y pasos importantes para encender y mantener una caldera.






El informe debe contener la siguiente estructura:

1. Introducción1.1. Objetivos1.2. Esquemas de las instalaciones1.3. Procedimiento experimental

2. Desarrollo de tareas asignadas por el profesor3. Discusión y conclusiones.

5. EVALUACION


1. 1.5 puntos

2. 2.5 puntos3. 2.0 puntos4. 1.0 punto base

TOTAL: 7 PUNTOS

6. BIBLIOGRAFÍA

Mataix, C., “Turbomáquinas térmicas”, HARLA.

Severns, W., “La producción de energía mediante el vapor de agua, el aire y los gases”, Reverté.

“Engineering, operation and maintenance”, United States, Department of the Navy, Bureau of Naval Personnel, Washington, 1957.





ANEXO

Reglamento de Calderas y Generadores de VaporSantiago, 24 de febrero de 1984.

Hoy se decretó lo que sigue:Núm. 48. Visto: Lo dispuesto en el artículo 82 letra a), artículo 9º letra c) y en el Libro Décimo del decreto confuerza de ley Nº 725, de 1967, que aprobó el Código Sanitario; lo establecido en el artículo 65º de la ley Nº16.744; en el decreto ley Nº 2.763 y sus modificaciones y teniendo presente las facultades que me confiere elartículo 32 Nº 8 de la Constitución Política de la República de Chile.

DECRETO:APRUÉBASE el siguiente Reglamento de Calderas y Generadores de Vapor.

Título I: Disposiciones Generales Artículo 1º.-

El presente Reglamento establece las condiciones generales de construcción, instalación, mantención, operacióny seguridad que deberán reunir todas las calderas en que se generen fluidos a temperaturas y presiones superioresa la atmosférica, ya sean móviles o estacionarias.No obstante lo anterior, no se aplicará a:a) Las Calderas de las locomotoras,b) Las Calderas instaladas en embarcaciones,c) Las Calderas de cualquier tamaño, cuya presión de trabajo no exceda de 0.5 kg/cm², yd) Las Calderas empleadas en la calefacción central de edificios, por agua caliente o por vapor cuya presión noexceda de 0.5 kg/cm². Artículo 2º.-

Corresponderá a los Servicios de Salud fiscalizar y controlar el cumplimiento de las disposiciones del presenteReglamento, todo ello de acuerdo con las normas e instrucciones generales que imparta el Ministerio de Salud.

Tratándose de la Región Metropolitana, tales funciones corresponderán al Servicio de Salud del Ambiente de esaRegión.

Título II: De las Definiciones Artículo 3º.-

Para los efectos del presente Reglamento se entenderá por:1. Caldera de Vapor o Caldera; el recipiente metálico en el que se genera vapor a presión mediante la acción decalor.2. Generador de Vapor; el conjunto o sistema formado por una caldera y sus accesorios, destinados a trasformarun líquido en vapor, a temperaturas y presión diferente a la atmosférica.3. Autoclave; el recipiente metálico destinado al tratamiento de materiales con vapor a presión superior a laatmosférica.

4. Accesorios; los elementos útiles o necesarios que, en conjunto con la caldera, integran un generador de vapor.5. Presión; la acción y el efecto resultante de la compresión de un cuerpo o de un fluido sobre una superficie.6. Presión máxima de trabajo; la presión límite a la que puede trabajar con seguridad una caldera o generador devapor, o la presión extrema que resiste un recipiente sujeto a presión.7. Unidad normal de presión; la atmosférica métrica, que es igual a 1 kilógramo por centímetro cuadrado. Laspresiones efectivas se entenderán medidas a partir de la presión atmosférica del ambiente y no las presionesabsolutas medidas a partir del vacío. Una atmósfera métrica equivale a 14,22 libras por pulgada cuadrada. Launidad inglesa de presión, designada "PSI" (Pounds Square Inch), es una libra por pulgada cuadrada.8. Evaporar o vaporizar; convertir un líquido al estado físico de vapor, mediante suministro de calor.9. Calderas de tubos de humos, (Ignotubulares); aquellas en que los gases y humos, provenientes de lacombustión pasan por tubos que se encuentran sumergidos en agua.10. Calderas de tubo de agua, (Acuotubulares); aquellas en que los gases y humos, provenientes de la

combustión rodean tubos por cuyo interior circula agua.11. Superficie de calefacción de una caldera de vapor; la superficie en contacto con los gases y humos decombustión por un lado, y con el agua por el otro, medida esta superficie por el lado que está en contacto con losgases y humos.12. Superficie de calefacción directa; aquella parte de la superficie de calefacción en que la transmisión del calorse verifica principalmente por radiación directa.13. Superficie de calefacción indirecta; la parte de la superficie de calefacción en que la transmisión del calor severifica por convección y no por radiación.





14. Sobrecalentador o recalentador de vapor; la parte o sistema de un generador de vapor que sirve para elevar latemperatura del vapor por encima de la del vapor saturado, sin aumentar la presión.15. Economizador; la parte o sistema de un generador de vapor que sirve para calentar previamente el agua dealimentación de la caldera, aprovechando el calor contenido en los humos y gases.

16. Hogar o caja de fuego; la parte del generador de vapor en que se efectúa la combustión.17. Cámara de alimentación de una caldera; el espacio comprendido entre los niveles máximos y mínimos delagua.18. Dureza del agua; contenido de sales de calcio y de magnesio, principalmente, que producen depósitos deincrustaciones en las planchas de la caldera.19. Depuradores del agua de alimentación de las calderas; dispositivos por los cuales se hace pasar el agua dealimentación de la caldera con el fin de reducir sus impurezas. Son depuraciones de agua: los filtros, losablandadores, desmineralizadores, desaereadores y evaporadores.20. Desincrustantes; substancias que evitan la precipitación de sales en forma adherente, y deshacen lasprecipitaciones y adherencias ya formadas.21. Vapor saturado; el que se encuentra en contacto con el líquido por evaporar, sin sobrepasar la temperatura deevaporación.

22. Vapor sobrecalentado o recalentado; el que se encuentra a temperaturas superiores a la que corresponde alvapor saturado a la misma presión.23. Vapor húmedo; el vapor saturado que contiene, en suspensión, partículas de líquido por evaporar.24. Acumulador de vapor; recipiente a presión destinado a almacenar, durante el período de menor demanda, elexceso de vapor.25. Manómetro; el instrumento destinado a medir la presión efectiva producida por el vapor en el interior de lacaldera.26. Válvula de seguridad; dispositivo que debe evacuar automáticamente el exceso de vapor de la caldera en elmomento en que la presión excede del valor mínimo preestablecido.27. Tapón fusible; accesorio de seguridad que se basa en la fusión de una aleación de bajo punto de fusión,cuando la temperatura del vapor o del palastro excede de esa temperatura.28. Inspección; control de las condiciones generales de seguridad fijadas por el Reglamento.

29. Revisión; control externo o interno de las condiciones estructurales de la caldera y de la existencia y estadode los accesorios.

Título III: De la Individualización y Registro de las Calderas Artículo 4º.-

Todo propietario de una caldera, previo a su instalación, deberá registrarla en el Servicio de Salud respectivo,para lo cual acompañará la siguiente información:a) Nombre del propietariob) Dirección de la instalación del equipoc) Nombre del fabricanted) Número de fabricacióne) Año de construcción

f) Superficie de calefaccióng) Presión máxima de trabajoh) Producción de vapori) Tipo de combustible empleado j) Copia de certificado de pruebas de seguridad efectuadas al término de la fabricación de la calderak) Copia del manual de operación del equipol) Sistema de tratamiento de agua de alimentaciónm) Planos, en planta y corte, de los equipos y sala de caldera, indicando la ubicación del depósito decombustible, y del estanque de alimentación de agua y de purga. Artículo 5º.-

Los Servicios mantendrán un registro de todas las calderas instaladas dentro de su territorio de competencia. Esteregistro concederá un número de orden para cada una y contendrá toda la información remitida por el interesado

y la obtenida por el Servicio a través de las acciones de fiscalización.Los Servicios deberán comunicar al propietario del equipo el Nº de Registro respectivo en un plazo no superior a15 días hábiles, Contados a partir de la fecha de recepción de la información indicada en los artículosprecedentes. Artículo 6º.-

Todo propietario de un generador de vapor está en la obligación de comunicar al Servicio cuando deje deutilizarlo, lo traslade o la transfiera, circunstancia que se anotará en el Registro.





Artículo 7º.-

Todo generador de vapor, desde el momento de su instalación, deberá contar con un "Libro de Vida", en el quese anotarán, por orden de fechas, todos los datos y observaciones acerca de su funcionamiento, mantención,reparación, accidentes sufridos por el equipo, como igualmente todos los exámenes, inspecciones y pruebas

efectuadas por organismos particulares u oficiales."El Libro de Vida" acompañará al equipo durante toda su vida útil, estando obligado el propietario de la calderaa mantenerlo y conservarlo en buen estado y a disposición de la autoridad sanitaria, cuando ésta lo solicite.Se agregará, además, a dicho Libro una memoria explicativa en castellano que contenga las especificacionestécnicas y cálculos, con indicación de las normas nacionales o extranjeras empleadas en su diseño. Artículo 8º.-

Toda caldera tendrá adosada a su cuerpo principal y en un lugar visible, una placa que indique: el nombre delfabricante, el número de fábrica, el año de fabricación, la superficie de calefacción y la presión máxima detrabajo para la cual fue construida. Además se deberá individualizar al equipo con el número de registroasignado por el Servicio en forma visible e indeleble.

Título IV: De las Condiciones Generales de Instalación Artículo 9º.-Los generadores de vapor que tengan una superficie de calefacción igual o superior a 5 m² y cuya presión detrabajo exceda de 2,5 kgs/cm², se instalarán en un recinto denominado sala de calderas. Su construcción será dematerial incombustible y estará cubierta de techo liviano.La sala de calderas no podrá estar ubicada sobre construcción destinada a habitación o lugar de trabajo.La sala de calderas tendrá la amplitud suficiente para permitir, en forma segura, todos los trabajos de operación,mantención, inspección y reparación. Deberá disponer de adecuada ventilación y de buena iluminación.La distancia mínima entre la caldera y las paredes del recinto será de 1 metro, como asimismo, entre la caldera ycualquier otro equipo o instalación.Sobre el elemento o accesorio más elevado de una caldera se dejará un espacio libre de a lo menos un metro.Además, deberá tener dos puertas o más, en direcciones diferentes, las que se mantendrán, en todo momento,libres de obstáculos que puedan impedir el paso. Se prohíbe mantener cerradas con llave las puertas, mientras las

calderas estén funcionando, lo mismo que el empleo de chapas que sólo puedan abrir manualmente por dentro. Artículo 10º.-

En las calderas ignotubulares, los conductos de fuego, gases y humos, irán recubiertos por mampostería,quedando libres de ella, aquellas partes de la caldera que están bañadas con agua.El punto más alto de los conductos de gases calientes estará por lo menos 100 milímetros más bajo que el nivelmínimo de agua de operación de la caldera. Artículo 11º.-

La mampostería deberá diseñarse y construirse de manera que permita la libre expansión y contracción de lacaldera. Las pasadas de cañería, a través de mampostería, deberán permitir la libre expansión de las cañerías eimpedir los escapes de humo o de gases. Artículo 12º.-

Todos los conductos de humo o de gases de combustión, incluso los empleados como vías de emergencia o

alternativa, deben construirse de tal manera que no permitan la acumulación de gases combustibles, sino queaseguren su arrastre hacia la salida o chimenea. Artículo 13º.-

Para la revisión y limpieza de los conductos de humo, toda caldera dispondrá de portezuelas o tapas ubicadas enlugares adecuados que permitan el fácil acceso al interior de dichos conductos. Artículo 14º.-En toda caldera el operador deberá tener un acceso seguro y expedito a los dispositivos de mando y susaccesorios más elevados.Los implementos que se utilicen para tal efecto deberán ser de material incombustible y de superficieantirresbaladiza.Sobre el piso del pasillo más elevado habrá un espacio libre de a lo menos, un metro ochenta centímetros. Artículo 15º.-

Cuando se utilice combustible líquido, éste deberá mantenerse en recipientes completamente cerrados, provistosde tubo de ventilación al exterior y separados de la sala de calderas. Si el estanque de almacenamiento se ubicaraa nivel de piso, deberán tomarse las medidas necesarias para evitar derrames de líquido inflamable, así como,evitar la formación de mezclas explosivas.

Título V: De la alimentación de agua Artículo 16º.-

En todo generador de vapor deberán cumplirse las siguientes prescripciones:A.- En relación a la calidad del agua:





1.- La turbiedad del agua de alimentación debe ser inferior a diez partes por millón (10 ppm).2.- La dureza total del agua debe ser inferior a 35 partes por millón (35 ppm).3.- No debe contener aceites ni substancias corrosivas.4.- PH no deberá ser inferior a 7.

5.- El condensado obtenido del vapor utilizado en diferentes dispositivos de intercambio energético, podrá serutilizado como agua de alimentación de la caldera siempre que no esté contaminada con aceites o substanciascorrosivas.6.- Cuando en una revisión interior se haya constatado que la capa de incrustaciones es de espesor superior al30% del grosor de las paredes de la caldera, medida en la sección de mayor transmisión de calor, no podráponerse en funcionamiento hasta que se proceda a su limpieza, desincrustación y revisión de las instalacionesablandadoras, las que al ponerse en marcha garanticen la entrega de agua blanda.B.- En relación con la instalación de agua de alimentación:1.- Se prohíbe unir directamente el sistema de alimentación de agua de las calderas con la red de agua potable.2.- El extremo de descarga de las tuberías de alimentación estará dispuesto de tal forma que:a) No pueda vaciarse el agua de la caldera más allá del nivel mínimo de agua en caso de falla de la válvula deretención.

b) El chorro de agua no esté dirigido hacia superficies que estén en contacto con los gases más calientes, nidirigido hacia las uniones de las planchas del hogar. En casos necesarios se dispondrá de una plancha que desvíeel chorro de agua.3.- La cañería de alimentación estará provista de una válvula de retención ubicada cerca de la caldera, y de unaválvula de paso de cierre manual ubicada entre la caldera y la válvula de retención.4.- En las calderas que tengan una superficie de calefacción total de cinco metros cuadrados o menos, el tubo dealimentación de agua tendrá 13 milímetros nominales (1/2") de diámetro interior como mínimo.5.- En calderas con superficies de calefacción total superior a cinco metros cuadrados, el tubo de alimentacióntendrá como mínimo el diámetro interior suficiente para permitir alimentar 1.25 veces su capacidad máxima devaporización con una presión de alimentación de 1.25 veces su presión máxima de trabajo.6.- Cada caldera o conjunto de calderas dispondrá de dos o más medios de alimentación de agua. En las calderasque usen combustibles sólidos uno de los medios de alimentación será independiente de la energía eléctrica,

pudiendo ser accionado por el vapor de la caldera.C.- En relación con el agua en la caldera y las purgas:1.- Toda caldera estará equipada con uno o más tubos de desagüe, comunicados con el punto más bajo de lacaldera y destinados a las purgas y extracciones sistemáticas de lodos.2.- La descarga de los tubos de purga estará dispuesto en tal forma que no presente peligro de accidentes para elpersonal y sólo podrá vaciarse al alcantarillado a través de un estanque intermedio de retención o de purgas.3.- Este estanque de retención debe reunir las siguientes condiciones:a) Será fácilmente accesible para su inspección y la extracción de los lodos.b) Las tapas o puertas de inspección tendrán un ajuste tal que evite escapes de vapor.c) El estanque estará provisto de un tubo de ventilación metálico, con salida al exterior de la sala.d) El diámetro del tubo de escape a la atmósfera debe ser mayor que el diámetro del tubo de purga.e) Llevará una válvula en la parte más baja que permita vaciar toda el agua purgada de la caldera, cuando sea

necesario.

Título VI: Del Saneamiento Básico de los Lugares de Trabajo Párrafo I Disposiciones Generales Artículo 17º.-

Para garantizar un funcionamiento seguro del generador de vapor, éste debe disponer como mínimo de losaccesorios que se indican:A) De observación, que comprenden dos indicadores de nivel de agua y uno o más manómetros.B) De seguridad, que comprenden la válvula de seguridad, sistema de alarma, sellos o compuertas para alivio desobrepresión en el hogar y tapón fusible en aquellas calderas a que se refiere el artículo 21º.

Título VI: Del Saneamiento Básico de los Lugares de Trabajo

Párrafo II Indicadores de Nivel de Agua Artículo 18º.-

Toda caldera deberá estar provista, a lo menos, de dos indicadores de nivel de agua, independientes entre sí. Unode ellos deberá ser de observación directa del nivel de agua, del tipo tubo de vidrio, pudiendo ser el otro formadopor una serie de tres grifos o llaves de prueba. Estos indicadores estarán directamente conectados a la caldera, obien, a una botella de niveles establecidas para este fin. Las conexiones de agua desde la caldera a estosindicadores de nivel estarán provistas de una pieza en cruz para facilitar su limpieza.Los tubos o cajas de nivel estarán provistos de las válvulas o llaves necesarias para proceder al recambio detubos o vidrios quebrados, como igualmente de una válvula que permita la purga de sedimentos acumulados en





el tubo o en sus conexiones. El agua de esta purga será captada por un embudo y llevada por cañería al desagüede las calderas. Estas válvulas serán del tipo cono y estarán construidas de tal forma que su mango indiqueinequívocamente, la posición de "abierta", esto es, paralelo al tubo.El límite inferior de visibilidad del agua en el tubo del nivel deberá quedar indicado, por lo menos, 30 milímetros

sobre el punto más alto de la superficie de calefacción de la caldera que esté en contacto con gases calientes.El nivel mínimo de agua de operación de la caldera estará a un tercio de la altura del tubo de nivel, medidassobre el nivel extremo inferior visible de ellos, y deberá marcarse claramente en forma indeleble.Las conexiones de los tubos de nivel a la caldera terminarán en el interior de ella, a nivel de la pared, y tendránun diámetro interior mínimo de 13 milímetros (1/2"). En ningún caso se aceptará la existencia de prolongacionesrectas o curvas en el interior de la caldera.Si no es posible conectar directamente los dispositivos indicadores de nivel a la caldera, podrán colocarse en unabotella de niveles conectada a la caldera por medio de cañería de 25 milímetros de diámetro interior a lo menos,dispuesta de manera que permitan una fácil limpieza de la tubería. La botella de niveles estará provista de unallave de purga.Los tubos de nivel dispondrán de protecciones adecuadas contra accidentes por roturas, colocados en forma quepermitan la iluminación y observación.

Cuando el tubo de nivel se encuentre a una altura mayor de tres metros sobre el piso de la sala, al tubo se le daráuna inclinación hacia adelante, para facilitar su observación. Los tres grifos o llaves de pruebas mencionadas enel inciso primero se distribuirán a las alturas comprendidas dentro de la longitud visible del tubo de nivel.

Título VI: Del Saneamiento Básico de los Lugares de Trabajo Párrafo III Manómetro Artículo 19º.-

Toda caldera deberá estar provista de uno o más manómetros, que se conectarán a la cámara de vapor de lacaldera mediante un tubo que forme un sello de agua. El diámetro nominal interior mínimo de este tubo será de 6milímetros (1/4").El manómetro tendrá capacidad para indicar, a lo menos, una y media vez la presión máxima del generador,procurando que dicha presión se encuentre en el tercio central de la graduación de la esfera.

El diámetro de la esfera del manómetro debe ser tal que permita su fácil lectura desde la ubicación habitual deloperador de la caldera, no siendo, en todo caso, inferior a 100 milímetros.En la esfera del manómetro deberá marcarse con una línea roja indeleble la presión máxima de la caldera.En la instalación del manómetro deberán cumplirse los siguientes requisitos:a) Su ubicación será tal que se impida el calentamiento a más de 50º C.b) Ofrezca una visión clara y despejada al operador de la caldera desde su posición de trabajo.c) Entre el manómetro y la caldera deberá colocarse una llave de paso que facilite el cambio de éste.Para los efectos del control periódico de manómetros se consultará, en un punto adecuado de la caldera, un tubode conexión, de diámetro interior no inferior a 6 milímetros (1/4"), con llave de paso que permita la fácilcolocación de un manómetro patrón.Al compararse el manómetro con el patrón se podrá aceptar un error de hasta el 10% con un máximo de 0.5kg/cm².

Título VI: Del Saneamiento Básico de los Lugares de Trabajo Párrafo IV Válvulas de Seguridad Artículo 20º.-

Toda caldera deberá estar provista de una o más válvulas de seguridad del mismo tipo y capacidad deevacuación, que deberán estar conectadas directamente a la cámara de vapor de la caldera, independiente de todaotra conexión o toma de vapor y sin interposición de ninguna otra válvula, llave, grifo u obstrucción. Se permitela conexión a la caldera de las válvulas de seguridad en paralelo, mediante una pieza de conexión de forma ydimensiones adecuadas.La o las válvulas de seguridad de un generador de vapor deben ser capaces de evacuar la totalidad del vaporproducido por la caldera, aún sin haber consumo, antes que se sobrepase en un 10% la presión máxima delgenerador. Para este efecto, la válvula de seguridad debe graduarse de manera que se inicie la evacuación de

vapor a una presión igual a la presión máxima de trabajo del generador, aumentada en un 6% como máximo.Toda válvula de seguridad llevará grabada o fundida en su cuerpo una marca de fábrica que indique suscaracterísticas y que permita su identificación.El material empleado en los asientos y conos de las válvulas de seguridad será de una aleación adecuada,resistente a la corrosión. Las válvulas deberán estar construidas detal forma, que la falla o ruptura decualesquiera de sus partes no obstruya la libre descarga del vapor; que el cono pueda girar sobre su asiento,estando las válvulas con presión, y cierre suavemente, sin producir golpes ni vibraciones. La válvula permitiráque su mecanismo de regulación pueda ser sellado de manera que sea posible advertir si ha sido alterado.





Asimismo, deberán tener un dispositivo que permita abrirlas, a fin de despegar el cono manualmente, operaciónque debe realizarse al iniciar cada turno de trabajo. La válvula de seguridad deberá cerrarse cuando la presiónhaya disminuido en no más de 4% con respecto a la presión máxima de trabajo del generador.El escape de vapor estará dispuesto de tal manera que tenga salida al exterior de la sala.

Cuando el escape de la válvula se efectúe por medio de tubos de descarga, éstos tendrán una sección transversaligual o superior al área de escape de la válvula y estarán dotados de desagües apropiados a fin de evitar laacumulación de agua de condensación en la parte superior de la válvula o en el tubo.La abertura o conexión entre la caldera y la válvula de seguridad tendrá un área por lo menos igual a la entradade la válvula. Cuando una caldera esté provista de dos o más válvulas de seguridad en una sola conexión, éstatendrá un área transversal no menor que la suma de las áreas de los tubos de entrada de todas las válvulas deseguridad.La regulación de las válvulas de seguridad sólo podrá efectuarse por la autoridad sanitaria o los profesionalesregistrados en conformidad con este Reglamento. Una vez hecha la regulación se sellarán las válvulas deseguridad mediante un precinto de plomo.

Título VI: Del Saneamiento Básico de los Lugares de Trabajo

Párrafo V Tapón Fusible Artículo 21º.-

El tapón fusible se empleará en las calderas de gran volumen de agua, esto es, superior a 150 lts. por m² desuperficie de calefacción, las de hogar interno, y en las calderas del tipo locomóvil.El tapón fusible deberá ubicarse en cada hogar interno, inmediatamente debajo del nivel mínimo de agua.Los tapones fusibles de acción por fuego estarán rellenos con una aleación cuyo punto de fusión máxima sea de250ºC. La parte interna del tapón debe mantenerse libre de incrustaciones o cualquier otra sustancia extraña.

Título VI: Del Saneamiento Básico de los Lugares de Trabajo Párrafo VI Sistema de Alarma Artículo 22º.-

Toda caldera dispondrá de un sistema de alarma, acústica o visual, que funcione cuando el nivel de agua alcance

el mínimo o el máximo, deteniendo, a la vez, el funcionamiento del sistema de combustión cuando se alcance elnivel mínimo de agua.

Título VI: Del Saneamiento Básico de los Lugares de Trabajo Párrafo VII Puertas de Explosión Artículo 23º.-

Las calderas que usen combustibles líquidos o gaseosos dispondrán de uno o más dispositivos de sellos ocompuertas para alivio de sobrepresión en el hogar, salvo aquellas provistas de dispositivos automáticos queeliminan el riesgo de explosión.

Título VII: De los Autoclaves Artículo 24º.-

Las autoclaves que generan el vapor requerido para su operación serán consideradas como calderas para losefectos de la aplicación del presente Reglamento. Artículo 25º.-

Las autoclaves que reciban el vapor de una fuente externa y operen a la misma presión de dicha fuente, sesometerán a las inspecciones y a las pruebas prescritas en este Reglamento. Artículo 26º.-Las autoclaves que reciban el vapor de una fuente externa y estén diseñados para operar a una presión inferior adicha fuente, se someterán también a las inspecciones y pruebas ya indicadas. La presión de prueba será igual a1.5 veces la presión de trabajo del autoclave, cuando la instalación ofrezca, a juicio del Servicio, suficientegarantía de que en ninguna circunstancia será posible aplicar la presión total de la caldera al autoclave. Artículo 27º.-Todas las autoclaves deberán estar provistas de válvulas de seguridad y de manómetro que cumplirán con lo

dispuesto en este Reglamento. La válvula de seguridad estará regulada de modo que inicie la evacuación devapor a una presión no superior a la de trabajo de la autoclave aumentada en un 6%. Toda autoclave deberácontar con válvula de purga de descarga rápida.

Título VIII: De las Revisiones y Pruebas de las Condiciones de Seguridad del Generador de Vapor Párrafo I Disposiciones Generales Artículo 28º.-

Para verificar las condiciones de seguridad de los generadores de vapor, éstos deberán ser sometidos a lassiguientes revisiones y pruebas:





a) Revisión interna y externab) Prueba hidráulicac) Prueba con vapord) Prueba de acumulación

e) Pruebas especiales Artículo 29º.-

Las calderas deberán ser sometidas a las revisiones y pruebas que se indican en las siguientes oportunidades:a) Las señaladas en las letras a) y b) del artículo precedente, al término de la fabricación, antes de entregarla alusuario.b) Las indicadas en las letras b), c) y d) del artículo precedente, al término de la instalación (sin la aislacióntérmica), antes de ponerlas en servicio.c) La totalidad de ellas, exceptuando la señalada en la letra e) que será optativa, al término de cualquierreparación o reconstrucción, y antes de ponerlas en servicio.d) Las dispuestas en las letras a), b), c) y d) a todas aquellas que estén en funcionamiento y con una periodicidadmínima de 3 años. Artículo 30º.-

Será responsabilidad del propietario o usuario del generador de vapor, velar porque las revisiones y pruebas seefectúen en las oportunidades y forma como lo señala el presente Reglamento.

Título VIII: De las Revisiones y Pruebas de las Condiciones de Seguridad del Generador de Vapor Párrafo II De la Revisión Interna y Externa Artículo 31º.-

Para estas revisiones el propietario o usuario de la caldera la preparará como sigue: apagará sus fuegos, la dejaráenfriar, la drenará, la abrirá y limpiará completamente incluso los conductos de humo.

Título VIII: De las Revisiones y Pruebas de las Condiciones de Seguridad del Generador de Vapor Párrafo III De la Prueba Hidráulica Artículo 32º.-

La caldera se preparará para la prueba hidráulica en la siguiente forma:1.- Se interrumpirán todas las conexiones a la caldera por medio de bridas ciegas (flanches ciegos) u otrosmedios que interrumpan en forma completa y segura todas las conexiones de vapor y agua, y que resistan lapresión hidráulica a que se someterán.2.- Se limpiará el hogar y se abrirán y se limpiarán los conductos de humo, de modo que la estructura metálicade la caldera sea accesible por todos sus lados.3.- Se retirarán las válvulas de seguridad y se colocarán tapones o flanches ciegos. En ningún caso se permitirá elaumento de la carga en la palanca o un aumento en la presión sobre el resorte de la válvula.4.- Se llenará la caldera con agua hasta expulsar todo el aire de su interior, mediante un tubo de ventilación. Artículo 33º.-

La presión de prueba hidráulica a que se someterán las calderas será 1.5 veces la presión máxima de trabajoindicada por el fabricante de la caldera, o en caso de desconocerse ésta la que fije la autoridad sanitaria, en base

a cálculos que consideren las características estructurales, espesores de planchas en los puntos más corroídos y alestado de conservación o de mantenimiento de la caldera. Artículo 34º.-

En el caso de calderas muy usadas o muy antiguas se podrá rebajar la presión de prueba hidráulica, sinconsiderar la presión indicada en la placa de característica. En este caso se dejará mención especial de estacircunstancia en el certificado de revisión y en el Libro de Vida de la caldera dejando, además, constancia de quese autoriza el trabajo de dichas calderas, en el futuro, sólo a una presión igual o menor al 50% de la presión deprueba hidráulica a que fueron sometidas. Artículo 35º.-

Durante la prueba hidráulica se aplicará la presión en forma lenta y progresiva aumentándola uniformemente, sinexceder el valor fijado para la presión de prueba que debe resistir.Una vez alcanzada esta última, se cerrará la comunicación con la bomba y se observará l manómetro, el cual

deberá continuar marcando la misma presión, sin bajar durante un tiempo no inferior a quince minutos.En seguida, se revisará la caldera para comprobar la existencia o ausencia de filtraciones o deformaciones en susplanchas.Se considerará que la caldera ha resistido la prueba hidráulica en forma satisfactoria cuando no haya filtración nideformación de las planchas.Posteriormente se bajará la presión también en forma lenta y uniforme.





Título VIII: De las Revisiones y Pruebas de las Condiciones de Seguridad del Generador de Vapor Párrafo IV De la Prueba con Vapor Artículo 36º.-

Después de cada prueba hidráulica se realizará una prueba con vapor, en la cual la válvula de seguridad se

regulará a una presión de abertura que no exceda más de 6% sobre la presión máxima de trabajo de la caldera.Se probará, además, el funcionamiento de la válvula de acuerdo con lo prescrito en el artículo 20º.

Título VIII: De las Revisiones y Pruebas de las Condiciones de Seguridad del Generador de Vapor. Párrafo V De la Prueba de Acumulación Artículo 37º.-

La prueba de acumulación se realizará con la caldera funcionando a su máxima capacidad y con la válvula deconsumo de vapor cerrada. En estas condiciones la válvula de seguridad deberá ser capaz de evacuar la totalidaddel vapor sin sobrepasar en un 10% la presión máxima de trabajo del generador de vapor.

Título VIII: De las Revisiones y Pruebas de las Condiciones de Seguridad del Generador de Vapor Párrafo VI De las Pruebas Especiales Artículo 38º.-Sin perjuicio de las pruebas prescritas en los artículos anteriores la autoridad sanitaria podrá solicitar que losgeneradores de vapor sean sometidos a pruebas especiales no destructivas, con el objeto de determinar calidad deplanchas y soldaduras en calderas muy usadas o muy antiguas o en aquellas en que se hayan producidodeformaciones o recalentamiento.

Título VIII: De las Revisiones y Pruebas de las Condiciones de Seguridad del Generador de Vapor Párrafo VII De la Ejecución de las Revisiones y Pruebas Artículo 39º.-

Corresponde a los Servicios la competencia general en materia de supervigilancia y fiscalización de lascondiciones de seguridad de los generadores de vapor. Artículo 40º.-

Sin perjuicio de lo dispuesto en el artículo anterior, las revisiones y pruebas de seguridad de los generadores devapor prescritas en el presente Reglamento, podrán ser efectuadas por profesionales ajenos al Servicio inscritosen un registro especial que éstos llevarán. Tales profesionales deberán cumplir con los siguientes requisitos:a) Ser Ingeniero, Ingeniero de Ejecución o Constructor Civil.b) Acreditar una experiencia mínima de un año en la fabricación, instalación, reparación, mantención uoperación de generadores de vapor. Los profesionales que acrediten una experiencia inferior a la anteriormenteseñalada, podrán solicitar ser sometidos a un examen de suficiencia ante la autoridad sanitaria.c) Comprometerse por escrito a efectuar las revisiones y pruebas de acuerdo a las normas contempladas en elpresente Reglamento.La resolución que dicte el Servicio para autorizar y registrar a los profesionales que cumplan con los requisitosseñalados anteriormente, tendrá validez nacional, debiendo el Servicio que la dicte enviar copia de ella a losrestantes. Artículo 41º.-Cuando las pruebas sean efectuadas por profesionales ajenos al Servicio, éstos deberán acreditar mediantecertificado haberlas efectuado y haber comprobado que el equipo cumple con las condiciones de seguridad parasu funcionamiento, asumiendo, toda la responsabilidad.Los certificados deberán otorgarse en duplicado al propietario o usuario del generador de vapor, quien deberáremitir dentro de un plazo de 8 días una copia al Servicio respectivo.Los certificados deberán estar suscritos por el profesional ejecutor especificando su número de registro ydeberán contener la siguiente información:-Individualización del propietario y del equipo.- Revisiones y pruebas ejecutadas y resultados obtenidos. Artículo 42º.-

Los Servicios deberán supervisar que los profesionales registrados efectúen revisiones y pruebas de seguridad en

los generadores de vapor de acuerdo a lo dispuesto en el presente Reglamento.Si se constatare que el profesional registrado ha emitido un certificado sin haber efectuado las revisiones opruebas reglamentarias, o las ha efectuado en forma incompleta o alterado sus resultados, será eliminado delregistro del Servicio respectivo y se comunicará esta medida al resto de los Servicios.

Título IX: De la Manipulación o Manejo de los Generadores de Vapor Artículo 43º.-

Todos los generadores de vapor a que se refiere el presente Reglamento, incluyendo los de operación totalmenteautomático, deberán estar al cuidado de a lo menos, un operador idóneo y responsable. Este personal deberá





acreditar su idoneidad para el manejo de dicho equipo a su cargo, por medio de un certificado de competenciaotorgado por el Servicio, el que tendrá validez nacional. Para tal objeto se requiere acreditar haber aprobado uncurso de especialización o rendir un examen en un Servicio de Salud. Artículo 44º.-

Será facultad de la autoridad sanitaria retirar el certificado de competencia de un operador, en cualquiermomento, si a juicio de dicha autoridad, el operador no demostrara, en la práctica, idoneidad en el manejo delequipo. Artículo 45º.-

En cada turno de trabajo el personal de operadores verificará, a lo menos una vez, el funcionamiento de todos losdispositivos de alimentación de agua, asimismo, se accionará manualmente la válvula de seguridad paraasegurarse que no está adherida y purgará todos los niveles y automáticos de alimentación de agua.Al producirse un cambio de turno, el operador no podrá abandonar el recinto de la sala de calderas antes que eloperador que lo releve se haya recibido de la planta. Artículo 46º.-

Si por cualquier motivo el nivel del agua bajare más allá del límite inferior de visibilidad del tubo de nivel,deberá paralizarse de inmediato el funcionamiento de la caldera sometiéndola a una revisión completa y a las

pruebas reglamentarias, dejando constancia de los resultados en el Libro de Vida de la caldera.

Título X: De las Sanciones Artículo 47º.-

Las infracciones a las disposiciones del presente Reglamento serán sancionadas por los Servicios en cuyoterritorio se hayan cometido, en conformidad con lo establecido en el Libro Décimo del Código Sanitario. Artículo 48º.-

Las calderas que no cumplan con las prescripciones del presente Reglamento o en las que se observarendeficiencias graves en la construcción, instalación, mantención u operación del equipo que representen unpeligro grave de explosión o accidente, la autoridad sanitaria podrá ordenar su paralización, hasta que seandebidamente subsanadas las deficiencias.

Título Final Artículo 49º.-

El presente Reglamento entrará en vigencia 180 días después de su publicación en el Diario Oficial, fecha en lacual se entenderá derogado el decreto supremo Nº 190, de 24 de octubre de 1963, del Ministerio de SaludPública, así como cualquier otra norma, resolución o disposición que fuere contraria o incompatible con lascontenidas en el presente Reglamento.

Disposiciones Transitorias Artículo Único.-La obligación del registro señalada en el artículo 4º regirá también para los propietarios o usuarios de lascalderas instaladas y en uso, quienes deberán remitir al Servicio respectivo, en un plazo máximo de 180 días,contados a partir de la fecha de vigencia del presente Reglamento, la siguiente información: Nombre del

propietario, dirección, fabricante, año de construcción de la caldera, Nº de fábrica, presión máxima de trabajo,superficie de calefacción, producción de vapor, combustible empleado y tratamiento de agua. Una vezregistradas y otorgado un número de orden, éste será remitido al propietario dentro de los 60 días siguientes.





EXPERIENCIA Nº : 3

TÍTULO : TRATAMIENTOS DE AGUA PARA CALDERAS



1.1 OBJETIVOS GENERALES

Obtener mediante métodos de análisis por ensayo de titulación, los factores que contribuyen a la

formación de incrustaciones en el agua de una caldera.

Realizar un análisis comparativo del agua de caldera con agua destilada y agua potable por cadaprocedimiento, para determinar las ventajas y desventajas que posee cada una.


• Determinar el pH del agua de la caldera

• Determinar los ciclos de concentración en el agua de la caldera

• Determinar en forma exacta la dureza residual que entrega el equipo ablandador de agua

• Determinar la causticidad libre para conocer la alcalinidad en el agua de la caldera

• Determinar el nivel de fosfato en el agua de la caldera

• Determinar el nivel de antioxidante en el agua de caldera


En la naturaleza, el agua se encuentra con sales y gases disueltos, por lo que ésta cambiará su

composición y propiedades de acuerdo a la cantidad y tipos de sales minerales presentes.

De este modo, el agua puede clasificarse según su composición de sales minerales en:

- Aguas duras: son las cuales presentan gran cantidad de calcio y magnesio, son pocos solubles. Estas son

las responsables de la formación de depósitos e incrustaciones.

- Aguas blandas: son las cuales se componen de sales minerales de gran solubilidad.

- Aguas neutras: son las cuales presentan una alta concentración de sulfatos y cloruros que no alteran el

valor de pH.

- Aguas alcalinas: son las cuales están formadas por una gran cantidad de carbonatos y bicarbonatos de

calcio, magnesio y sodio, lo cual eleva el valor del pH.

De acuerdo a la norma chilena, la clasificación de aguas depende de la cantidad de CaCO3:

ppm de CaCO3 TIPO0- 50 BLANDA

50- 100 MODERADAMENTE BLANDA

100- 200 LIGERAMENTE DURA

200- 300 MODERADAMENTE DURA

300- 450 DURA

>450 MUY DURA

2.1 Efectos producidos por las impurezas del agua

Las impurezas del agua pueden causar:

1. Formación de incrustación sobre la superficie de caldeo o en el interior de los tubos, produciendo una

reducción en la transferencia de calor.

2. Corrosión y fragilidad del acero de la caldera.

3. Formación de espumas, lo que produce un aumento del nivel de la caldera y baja calidad del vapor.

4. Bajo rendimiento en la caldera, debido a las pérdidas caloríficas por purgados.

5. Elevados costos por limpieza, inspección y reparación.





2.2 Tratamientos de aguas para calderas

El tratamiento del agua se divide en dos grupos: interno y externo.

a. Tratamientos internos: Estos consisten en agregar productos químicos al agua que ya se encuentra dentro dela caldera o del tanque de reserva a fin de que se produzcan reacciones químicas que neutralicen los efectos

dañinos de algunas sustancias. Sin embargo, estos tratamientos tienen varios inconvenientes como la necesidad

de un control riguroso, tanto de la cantidad de sustancias como del efecto que producen, ya que si no se establece

dicho control, las reacciones pueden darse no sólo con el agua y sus componentes sino con el metal de la caldera

y su consiguiente debilitamiento mecánico.

El tratamiento químico del agua de alimentación puede ser en frío o en caliente en general, sin embargo

calentando el agua de alimentación se acelera la precipitación de las sustancias disueltas, se obtienen aguas más

blandas y se requieren cantidades más pequeñas de productos químicos y equipos de dimensiones más reducidas

que tratando las aguas en frío.

La cal en forma de hidrato Ca(OH)2 esta indicada para la corrección de la dureza temporal. El anhídridocarbónico CO2 contenido en el agua, ya sea en estado libre o en el bicarbonato, es absorbido, formándose

precipitados relativamente insolubles de carbonato cálcico e hidróxido magnésico.

b. Tratamientos externos: Su principio de aplicación se basa en la necesidad de preparar el agua antes de que

entre a la caldera para que llegue lista a calentarse y evaporarse sin crear ningún problema en el equipo.

Entre estos se encuentran el de tipo filtrado, vaporizadores, desaireadotes, suavización y desmineralización.

El filtrado se utiliza a la salida de la bomba del agua tratada. El agua que se ha de filtrar circula en sentido

descendente a través de capas de diferentes materiales de varios tamaños. Las materiales filtrantes más corrientes

son: arena, magnetita, calcita y antracita. En las aguas de alimentación de calderas la sílice es muy perjudicial

debido a que forma una incrustación densa y muy dura.

Los vaporizadores se emplean para producir agua destilada destinada a la alimentación de calderas. Seconstruyen de varios tipos los cuales emplean el vapor de agua a baja, media y alta presión. El vapor producido

por el vaporizador se puede condensar en los calentadores del agua de alimentación, o bien en condensadores

independientes en los que el fluido refrigerante es el agua de alimentación que se trata de calentar. Empleando

agua destilada se elimina casi completamente la formación de incrustaciones, así como otras dificultades que se

presentan en el funcionamiento de las calderas, atribuibles al agua de alimentación. Sin embargo, aun empleandoagua destilada puede llegar a las calderas pequeñas cantidades de materias productoras de incrustación a causa

de fugas de los condensadores y por impurezas arrastradas del equipo de destilación.

Los desaireadores (desgasificadores) son aquellos dispositivos mecánicos empleados para liberar los gases

contenidos en el agua de alimentación (aire, oxigeno, anhídrido carbónico, y otros gases). Su funcionamiento

consiste en dividir el agua de alimentación en finas gotas y calentándolas para transformarlas en vapor dentro deldesaireador, y separar los gases del vapor a medida que este se va condensando.

La suavización es el método más popular de los tratamientos externos. Es utilizado para retirar las sales de calcio

(Ca) y magnesio (Mg) que siempre acompañan al agua y que le dan la propiedad de dureza, pero que al

calentarse se precipitan generando lodos que se compactan por efecto de la temperatura y la presión

solidificándose lo cual produce problemas de incrustación "blanda" o "porosa" que reduce considerablemente el

intercambio de calor, siendo ésta retirable sólo por medios mecánicos o lavados químicos. El principio de

operación del suavizador está basado en el intercambio iónico.

La desmineralización se aplica principalmente cuando las aguas de alimentación contienen una gran cantidad de

compuestos de silicio (Si) que produce la llamada incrustación "dura", la cual forma una capa imposible de

retirar de los tubos que obliga al cambio de muchas partes del equipo. Su principio de operación, tal como el desuavización, se basa en el intercambio iónico. Sin embargo, el equipo es mucho más complejo pues lleva dos

tanques: uno de ellos con resina aniónica y el otro con resina catiónica, por lo que también se eliminan del agua

sales de calcio y magnesio. Esta doble función permite eliminar el uso de un suavizador extra pues ya va

incluido en el equipo, pero el costo inicial es bastante alto por lo que solamente se utiliza en casos muy

especiales.





2.3 Normativas chilenas para el tratamiento de agua para calderas

Los límites recomendados para los constituyentes del agua que usan en calderas son los que se muestran

en la tabla 2.1.

Tabla 2.1 Limites permitidos en el agua de caldera

PARAMETRO LIMITES PERMITIDOSAlcalinidad relativa (Ar) 250- 500 ppm

Alcalinidad total (At) 350- 700 ppm

Potencial de hidrogeno (pH) 10,5- 11,5

Dureza total 0- 20 ppm

Sólidos disueltos totales (SDT) 3500 ppm máx.

Fosfatos 20- 40 ppm

Cloruros 5 veces el agua de entrada máx.

Hierro 0- 0,03 ppm

Sílice Máx. (0,6 x Ar)

3. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS EXPERIMENTALES

Con la finalidad de realizar los análisis pertinentes, es necesario sacar un litro de agua de la caldera,

después de dejarla correr desde el nivel o purga de superficie por aproximadamente un minuto para obtener una

muestra representativa. Dejar enfriar la muestra a temperatura ambiente. Además, se debe considerar tener

muestras comparativas de agua destilada y/o agua potable.Otros componentes necesarios son:

- 10 a 15 frascos de ensayo de 20 a 40 ml (completamente limpios y sin impurezas)

- Cintas indicadoras de pH

- Analizador de Fosfato, que contiene:

o Un frasco gotario 50 ml reactivo No1

o Un frasco gotario 50 ml reactivo No2

o Una caja de papel filtro

o Un embudo plástico

o Una gradilla comparadora de Fosfato rango: 5- 10- 20- 30 ppm P2O5, con tubo de ensayo

- Analizador de Cloruros, que contiene:

o Un frasco gotario 50 ml solución Cromato de Potasio

o Un frasco gotario 100 ml solución Nitrato de Plata C

- Analizador TR, que contiene:

o Un frasco gotario 100 ml solución Amoniacal

o Un frasco gotario 100 ml Complex 1

o Un frasco de 100 unidades de tabletas indicadoras de dureza

-

Analizador de Causticidad libre, que contiene:o Un frasco gotario 100 ml solución Bario

o Un frasco gotario 50 ml indicador P

o Un frasco gotario 100 ml solución APM

- Analizador de Sulfito, que contiene:

o Un frasco gotario 100 ml solución Sulfúrica

o Un frasco gotario 100 ml solución Almidón

o Un frasco gotario 100 ml solución de Yodo


Las pruebas que se efectúan a los distintos tipos de agua consisten en:

4.1 Determinación de pH

Sumergir una cinta indicadora de pH en las distintas muestras durante 30 segundos aproximadamente y

comparar el color obtenido con las escala patrón.

4.2 Determinación Fosfato

Filtrar la muestra utilizando un embudo y una hoja de papel filtro hasta que el líquido en el frasco de

ensayo marque 20 ml. Luego, se agrega agua blanda o destilada hasta completar 40 ml, vaciar el agua hasta la





primera marca del tubo de ensayo de la gradilla comparadora. Agregar 6 gotas de reactivo No1, agitar y agregar

después 6 gotas de reactivo No2, agitar. Esperar 10 minutos, durante los cuales se desarrollara un color azul que

al confrontarlo con los patrones de la gradilla, dará la concentración de Fosfato correspondiente. Los

comparadores indican ppm de Fosfato, expresado como P2O5.

4.3 Determinación de Cloruros

Llenar el frasco hasta 40 ml, agregar 5 gotas de solución Cromato de Potasio y agitar. Luego, se agrega

lentamente gota tras gota, agitando y contando las cantidades de solución Nitrato de Plata C hasta que el color

amarillento cambie a rojo ladrillo. El número de gotas de solución Nitrato de Plata C empleadas, indica la

cantidad de Cloruros en el agua analizada.

4.3 Determinación dureza total

Llenar el frasco hasta 40 ml, agregar 10 gotas de solución Amoniacal y una tableta indicadora de dureza

y agitar hasta que la tableta se haya disuelto. Si el agua presenta una coloración rojiza, indica presencia de

dureza por lo que se agrega lentamente gota tras gota, agitando y contando las cantidades de Complex 1, hasta

que el líquido cambie a color verde. El número de gotas empleadas equivale a la dureza total del agua analizada.

En el caso de agua de caldera, se considera un rango bajo menor de 20 ppm CaCO3.

4.4 Determinación causticidad libre

Llenar el frasco hasta 40 ml, agregar 10 gotas de solución Bario y una gota de indicador P, agitar. Si el

agua presenta una coloración rosada, indica presencia de causticidad libre por lo que se agrega lentamente gota

tras gota, agitando y contando las cantidades de solución APM, hasta que desaparezca el color. El número de

gotas de solución APM empleadas, indica la cantidad de causticidad libre en el agua analizada.

4.5 Determinación Sulfito

Llenar el frasco hasta 40 ml, agregar 20 gotas de solución Sulfúrica y 20 gotas de solución de Almidón,agitar. Luego, se agrega lentamente gota tras gota, agitando y contando las cantidades de solución Nitrato de

Plata C hasta que el color amarillento cambie a rojo ladrillo. El número de gotas de solución Nitrato de Plata C

empleadas, indica la cantidad de Cloruros en el agua analizada.


El contenido del informe deberá abarcar el desarrollo mínimo de los siguientes contenidos

fundamentales: Teoría fundamental del experimento, objetivos de la experiencia, esquema de instalación,

características técnicas de los equipos e instrumentos empleados, descripción del método seguido oprocedimiento experimental, presentación de los resultados (tablas, gráficos, etc.), discusión de los resultados,

conclusiones.

Además, deberá incluir la planilla de control del tratamiento de agua de calderas presentada a

continuación:

1 gota de solución de Nitrato de Plata C = 25 ppm Cl-

Para transformar P2O5 a PO4, se utiliza la fórmula: P2O5=0,75 x PO4

1 gota de solución APM = 35 ppm CaCO3

1 gota de Complex 1 = 1 ppm Dureza expresada en CaCO3

1 gota de solución de Nitrato de Plata C = 25 ppm Cl-





6. EVALUACION


Introducción, objetivos, marco teórico 1.0 pto.

Descripción de instalaciones y equipos 1.0 pto.Descripción de la metodología utilizada 1.0 pto.

Presentación de resultados 1.0 pto.







EXPERIENCIA Nº :4

TÍTULO : SIMULACIÓN DE TURBINA DE GASES YMOTOR A REACCIÓN

ASIGNATURA : MÁQUINAS TÉRMICAS


1.1 OBJETIVO GENERAL

El objetivo general es consolidar de forma práctica los conocimientos adquiridos en la asignatura enrelación al ciclo de Brayton.


Reconocer cada uno de los componentes de un ciclo de Brayton.Simular el comportamiento de una turbina de gas realizando un análisis de sensibilidad bajo distintascondiciones de trabajo.Simular el comportamiento de un motor a reacción realizando un análisis de sensibilidad bajo distintascondiciones de trabajo.

2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA

CICLO TERMICO DE LAS TURBINAS A GAS

CICLO BRAYTON O DE JOULE

Este ciclo se considera el básico en el análisis de turbinas. La mayor parte de los dispositivos queproducen potencia operan en ciclos, y el estudio de los ciclos de potencia es una parte interesante e importante dela termodinámica, por esto trataremos la base para los motores de turbina de gas, el Ciclo Brayton.

El ciclo Brayton también llamado de Joule fue propuesto por primera vez por George Brayton, sedesarrollo originalmente empleando una máquina de pistones con inyección de combustible, pero ahora escomún realizarlo en turbinas con ciclos abiertos o cerrados. La máquina de ciclo abierto puede emplearse tantocon combustión interna como con transferencia de calor externa, en tanto que la máquina con ciclo cerrado tieneuna fuente de energía externa.

Si bien la turbina a gas es un motor de combustión interna y su ciclo tiene puntos en común con losciclos Otto o Diesel, tiene una diferencia fundamental. Se trata (igual que todas las turbinas) de máquina defuncionamiento continuo. Es decir, en régimen permanente cada elemento de ella está en condición estable.

El ciclo Brayton, tiene como función transformar energía que se encuentra en forma de calor a potenciapara realizar un trabajo, tiene varias aplicaciones, principalmente en propulsión de aviones, y la generación deenergía eléctrica, aunque se ha utilizado también en otras aplicaciones.

Los ciclos que se efectúan en dispositivos reales son difíciles de examinar por que hay demasiadasvariaciones y detalles que se tienen que tomar en cuenta al mismo tiempo y se complica demasiado el entorno.Para facilitar el estudio de los ciclos se optó por crear el llamado ciclo ideal, en el cual se eliminan todas esascomplicaciones que no permiten un análisis eficaz, por lo tanto se llega a alejar de la realidad pero en unamanera moderada. En el siguiente esquema se puede llegar a apreciar una aproximación entre un ciclo ideal yuno real. Se puede notar que difieren pero se encuentran aproximadamente en el mismo rango.





CICLO REAL / CICLO IDEAL

Los ciclos ideales son internamente reversibles pero, adiferencia del ciclo de Carnot, no es necesario que sean externamente

reversibles. Es decir, pueden incluir irreversibilidades externas alsistema como la transferencia de calor debida a una diferencia detemperatura finita. Entonces, la eficiencia térmica de un ciclo ideal, porlo general, es menor que la de un ciclo totalmente reversible que opereentre los mismos limites de temperatura. Sin embargo, aun esconsiderablemente más alta que la eficiencia térmica de un ciclo realdebido a las idealizaciones empleadas.

Las idealizaciones y simplificaciones empleadas en los análisisde los ciclos de potencia, por lo común pueden resumirse del modosiguiente:1.- El ciclo no implica ninguna fricción. Por lo tanto el fluido de trabajono experimenta ninguna reducción de presión cuando fluye en tuberías

o dispositivos como los intercambiadores de calor.2.- Todos los procesos de compresión y expansión se dan en el modo de cuasi equilibrio.3.- Las tuberías que conectan a los diferentes componentes de un sistema están muy bien aisladas y latransferencia de calor por ellas es despreciable.

ANTECEDENTES BÁSICOS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO.

Ciclo Utilizado:

El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton.

Consta de las siguientes evoluciones:

En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime hasta 2 según unaadiabática (idealmente sin roce, normalmente una politrópica conroce). Luego el aire comprimido se introduce a una cámara decombustión. Allí se le agrega una cierta cantidad de combustible y estese quema. Al producirse la combustión se realiza la evolución 2-3.Típicamente esta es isobárica (o casi isobárica, pues se pierde un poco depresión por roce). Como a la cámara de combustión entra tanto fluidocomo el que sale, la presión casi no varía. La temperatura T3 es unatemperatura crítica, pues corresponde a la mayor temperatura en el ciclo.Además también es la mayor presión. Por lo tanto los elementossometidos a T3 serán los más solicitados.

A continuación viene la expansión de los gases hasta la presión

ambiente. Esta expansión la debemos dividir en dos fases. En la primera(de 3 a 3') el trabajo de expansión se recupera en una turbina que sirvepara accionar el compresor. En la segunda fase (de 3' a 4) existen dosopciones:

a) Si entre 3' y 4 se instala una turbina, el trabajo de expansiónse convierte en trabajo mecánico. Se trata de un turbopropulsor o lo quecomúnmente se llama turbina a gas.

b) Si entre 3' y 4 se sigue con la expansión de los gases en unatobera, el trabajo de expansión se convierte en energía cinética en losgases. Esta energía cinética sirve para impulsar el motor. Se trata de un





turborreactor o lo que comúnmente se llama un motor a reacción.Finalmente los gases de combustión se evacuan a la atmósfera en 4. La evolución 4-1 es virtual y

corresponde al enfriamiento de los gases hasta la temperatura ambiente.Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, también es posible realizarlo como ciclo cerrado.

Es decir tener un fluido de trabajo que siga las evoluciones del ciclo. Entre 2 y 3 se le aporta calor externo yentre 4 y 1 se le extrae. También es posible realizarlo sin combustión interna, haciendo un aporte de calor entre 2y 3. Esto se ha hecho en algunos motores solares en que se opera según un ciclo Brayton.

TURBINAS A GAS.

CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES TÉRMICOS.

Una turbina de gas es una máquina térmica que desarrolla trabajoal expandir un gas. Se puede considerar un motor de combustión interna.Está compuesta por un compresor, una o varias cámaras de combustión y

la turbina de gas propiamente dicha.Las turbinas a gas pueden operar como sistemas abiertos o

cerrados. Para el ciclo abierto los elementos principales de una turbina agas son: compresor, cámara de combustión y turbina. Para el ciclocerrado estos elementos son: turbina y dos intercambiadores de calor. Elciclo abierto es el más común.

El ciclo termodinámico del gas en estas turbinas corresponde alciclo Brayton, y consiste en una compresión adiabática seguida de una politrópica y finaliza con una expansiónadiabática.

La aplicación más común de estas máquinas es la propulsión de aviones a reacción, y de ellas derivan lasturbinas utilizadas en generación de energía eléctrica.

Las turbinas tienen temperaturas de salida de los gases de combustión de 450 a 600 (ºC) y un caudal de

gases de combustión de 12 (Kg./h) por (Kw.). Estas dos características hacen que sea más fácil elaprovechamiento del calor de los gases de escape.

La energía del combustible que entra en una máquina se utiliza de la siguiente manera:

Energía eléctrica 30 a 35%. Energía térmica 60 a 65%. Pérdidas 5 a 10%.

DESCRIPCIÓN DE LOS TIPOS DE TURBINAS A GAS.

Turborreactor.El turborreactor, es un tipo de turbina de gas, que a diferencia de los motores de ciclo alternativo que tienen un

funcionamiento discontinuo (explosiones), tiene un funcionamiento continuo. Consta de las mismas fases que unmotor alternativo: admisión, compresión, expansión y escape.En el funcionamiento para la fase de compresión, se usan compresores axiales o centrífugos que comprimengrandes volúmenes de aire a una presión de unas 8 atmósferas. Una vez comprimido el aire, se introduce en lascámaras de combustión donde el combustible es quemado en forma continua.En este tipo de motores la fuerza impulsora o empuje se obtiene por una parte por la cantidad de movimiento. Allanzar grandes volúmenes de aire hacia atrás a gran velocidad, se produce una reacción que impulsa la aeronavehacia adelante.





Turbofan o Turboventilador.El motor turbofan, también llamado turborreactor de doble flujo, no es mas que una variante del motorturbohélice, en el cual a la hélice se le añaden mas palas y se reduce de tamaño para que se introduzca dentro delpropio cilindro del motor.

El turbofan tiene un gran abanico (Fan) en la parte delantera de la turbina el cual esta directamente conectadocon la etapa de turbinas, la cual lo hace girar.Es notable que, dependiendo de la altitud y las condiciones de vuelo, éste sea capaz de lograr hasta un 25% deahorro de combustible comparado con un turbojet al mismo tiempo que es el responsable (Dependiendo denuevo de las condiciones de vuelo) del 80% del empuje producido por estos motores.Aparte de su gran eficiencia y economía, los turbofan son también los motores más silenciosos de la industria.

Turbohélice o Turboprop.El motor turbohélice o turboprop, fue diseñado para reunir dos características muy particulares. Una, laeconomía de combustible y la adaptación de un motor de turbina para generar potencia, no empuje. La relaciónpeso-potencia de un turbohélice es muy superior a la de cualquier motor de pistón.El turbohélice consiste en un motor a reacción a cuyo eje de turbina se ha unido una hélice. Esta simple

modificación permite aprovechar la energía de la turbina cuando la velocidad es baja.Potencia que en los otros tipos de motores mencionados el resultado final es acelerar los gases para generarempuje, en los turbohélices estos gases son usados para generar potencia o torque para mover la hélice delante,mediante una transmisión mecánica enlazada a la hélice de este modo: La etapa de turbina envía la potencia a latransmisión que a su vez la envía a la hélice, para que esta al girar cree el empuje. En un turbohélice la turbinano se usa para impulsar el avión, sino para mover la hélice.Los motores turboprop o turbohélice contienen una unidad generadora de gases al igual que los motores turbojet,pero su diferencia radica en gran parte de la energía producida se emplea para mover una hélice a través de unacaja de reducción.

Turboshaft o Turboeje.Es un tipo de motor a reacción que entrega la energía mecánica generada a un eje para el movimiento de

dispositivos diferentes a hélices operando de la misma manera que un turboprop; gran parte de la energíaproducida por la unidad generadora de gases es empleada para mover el rotor de un helicóptero a través de unsistema de transmisión o para generación auxiliar de potencia eléctrica o neumática.Cabe destacar que cuando el motor es empleado en helicópteros, este prácticamente no genera empuje porchorro, sólo genera tracción.

ETAPAS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS A GAS.

ADMISIÓN: Es simplemente el aire exterior que llega a la entrada del motor.

COMPRESIÓN: Al pasar por la admisión o entrada de aire, este llega a la cámara de compresión donde suvolumen es disminuido, pero su presión muchas veces aumentada por la parte de la turbina llamada compresor.

Que simplemente son una especie de hélices muy avanzadas que giran alrededor de un eje comprimiendo el aireentrante.

COMBUSTIÓN: El aire comprimido pasa a la cámara de combustión donde al ser quemado se expande,aumenta su volumen y velocidad de manera que ese aire expandido y a gran velocidad pasa por otra serie dehélices, llamadas turbinas. Que al girar rápidamente, son las encargadas de mover las hélices delcompresor, que a su vez, es el encargado de enviar ese aire comprimido que una vez quemado, moverá la etapade turbina una vez más, generando un ciclo continuo.





ESCAPE: Una vez que esos gases quemados salen de la etapa de turbinas, van a la tobera de escape, donde sondirigidos y acelerados una vez más hacia afuera a alta velocidad y con la menor pérdida de energía para finalizarel ciclo y convertir esos gases calientes en energía de movimiento ó empuje.

COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA TURBINA A GAS.

EL COMPRESOR.Está ubicado en la sección frontal de la turbina y es el elemento por el cual se introduce en forma forzada el airedesde el exterior, esta es la parte encargada de comprimir el aire de entrada al motor, y enviarlo a la cámara decombustión de forma uniforme y continua a altas presiones.

Existen dos tipos de compresores:

Axiales: Tienen en sus rotores los alabes dispuestos para forzar el flujo en sentido axial (paralelo al ejeprincipal), el estator esta constituido por dos semicarteres donde se colocan alabes fijos, que finalmenteprovocan por estrechamiento la compresión necesaria.

Es de flujo axial para grandes turbinas por su elevado rendimiento y capacidad.

Centrifugo o radial: Tienen su rotor compuesto por alabes dispuestos radialmente, que impulsan el aire hacia elestator que es un conjunto fijo, este lo recibe y lo canaliza a través de secciones de paso divergente que loconducen a un estrechamiento, lo que le hace perder velocidad y por el principio de Venturi aumentara supresión, donde el aire literalmente es enviado a las paredes interiores de la cámara por la fuerza centrífuga quegenera. Con éxito se han usado compresores centrífugos para turbinas pequeñas.

LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN.

Es el área donde el aire comprimido que viene del compresor es mezclado con el combustible, el cual esinyectado por una serie de boquillas que lo atomizan y queman por medio de bujías especiales para de nuevo

expandirlos y generar un volumen mayor de gases calientes y de alta velocidad.Es curioso observar que la ignición sólo es usada para encender la turbina, después de encendida, la llama en laturbina es continua y autosostenible, sólo en caso de nieve ó lluvia extrema es necesario encender las ignicionesen caso (muy raro por cierto) que la turbina pierda potencia y se apague por ingestión de agua. A temperaturasde hasta 1600ºC, el agua se evapora en fracciones de segundo.Se fabrican de tipo cilíndrico (can type) o en forma de anillo ( annular type) o una combinación de ambas (can –annular).

Existen diferentes tipos de cámaras de combustión:

Cámara de combustión tipo Can: Este tipo de cámara de combustión fue comúnmente empleado en los primerosdiseños de turbinas de gas. Dependiendo del diseño del motor, un sistema de combustión puede tener una o

varias cámaras tipo can, cada una conformada por un inyector de combustible, una pared perforada en formacilíndrica o tubular (liner) y una cubierta individual que la contiene. Las cámaras están interconectadas porpequeños tubos de propagación de llama que permiten que la combustión iniciada por las bujías en dos de lascámaras se propague a las demás. Este tipo de cámaras de combustión facilita su mantenimiento ya que puedenrepararse o reemplazarse cámaras individuales y no todo el conjunto. Sin embargo, no aprovecha eficientementeel espacio y requiere una mayor superficie de metal para contener el flujo de gas.

Cámara de combustión tipo Can-annular: Este tipo de cámaras de combustión es ampliamente usado en losmotores de turbina de gas modernos. Consta de una cubierta exterior anular que contiene varias paredescilíndricas perforadas, cada una con un inyector de combustible e interconectadas entre sí por pequeños tubos de





propagación de llama. Debido a que una sola cubierta contiene las paredes cilíndricas perforadas o liners, seahorra peso por la menor cantidad de metal empleado y se obtiene un mejor aprovechamiento del espacio.

Cámara de combustión tipo Annular: Este tipo de cámara de combustión está reemplazando al tipo can-annular

en los motores más modernos. Consiste en una pared perforada o liner y una cubierta dispuestas en forma anular.Varios inyectores se instalan a lo largo de la circunferencia de la cámara de combustión para suministrar elcombustible necesario y dos bujías proporcionan la energía para la ignición de la mezcla. Esta configuraciónhace que las cámaras de combustión tipo Annular tengan mejores características en cuanto a eficiencia térmica,peso y longitud. La menor superficie metálica requerida para contener el flujo de gases hace que se requieramenos aire para su enfriamiento

LAS TURBINAS.

Ésta etapa es la encargada de varias funciones, la más importante, es el de extraer energía de los gases paramover eficientemente el compresor, así como de mover todos los accesorios satélites de la turbina, como son losgeneradores eléctricos, bombas hidráulicas, bombas de combustible, etc. También puede contar con varias

etapas, así como de etapas de alta presión de y de baja presión de turbina.El compresor de alta presión está conectado directamente a él por un eje, el compresor de baja presión estáconectado directamente a la etapa turbina de baja presión de forma que el eje de las etapas de alta presión eshueco de modo que acepte el eje de las etapas de baja presión, en la parte interior del mismo. A este tipo dediseño se le llama turbina de múltiples ejes.Son casi siempre de flujo axial (axial flow), excepto algunas de pequeñas dimensiones que son de flujo radial(radial flow) dirigido hacia el centro

LA TOBERA DE ESCAPE.

Es el componente encargado de dirigir los gases de alta velocidad resultado de la combustión hacia afuera,acelerándolos aún más por su forma y diseño.

Para favorecer el constante flujo del aire en el interior de la turbina y poder dirigir efectivamente el aireproveniente de su rueda, se utiliza un aditamento cónico. Esta tobera de escape aumenta considerablemente elempuje del motor.





ANTECEDENTES GENERALES DE LOS MOTORES

CONDICIONES OPERACIONALES DE LOS DIFERENTES TIPOS DE MOTOR.

Cada uno de los tipos de motores para aviación explicados anteriormente opera dentro de un rango dealtitud y velocidades definido. Limitaciones similares en velocidad y altitud existen también para las estructurasde las aeronaves y por lo tanto es necesario encontrar la mejor combinación entre las capacidades de la aeronavey las del sistema propulsivo.

En la figura anterior, se muestran las regiones de operación de los motores para aviación en las cuales sepuede apreciar que estos no están limitados únicamente por el desempeño del motor y sus componentes, sino

también, por el diseño y materiales con los cuales están construidas las aeronaves.De igual manera, la eficiencia propulsiva para cada uno de los tipos de motores de turbina para aviación,tiene un comportamiento diferente dependiendo de la velocidad a la que opera la aeronave.





TURBINA DE COMBUSTIÓN Y SU ACOPLAMIENTO A LAS CENTRALES DE CICLO COMBINADO.

Desde el origen de la industria eléctrica, la investigación y el perfeccionamiento tecnológico han sidofactores decisivos en el aprovechamiento de la energía contenida en los combustibles fósiles. A pesar de los

esfuerzos en el desarrollo de las fuentes de energía renovable (solar, oceánica, maremotríz, térmica, biomasa,celdas fotovoltaicas, etc.) éstas sólo satisfacen requerimientos locales y su aprovechamiento no ha sido explotadoen gran escala.

La producción descentralizada en pequeña y mediana escala ha sido posible gracias al perfeccionamientode las turbinas de combustión que utilizan como combustible gas natural y su aplicación a las plantasgeneradoras de ciclo combinado y en los sistemas de cogeneración.

Las principales características de las centrales de ciclo combinado son: Mayor eficiencia térmica.

Actualmente las centrales de ciclo combinado alcanzan eficiencias de 58% y un aprovechamiento decombustible de casi 90% en caso de producción combinada de energía térmica y eléctrica.

Menores costos y tiempos de instalación.

Las centrales de ciclo combinado se caracterizan por su menor costo de inversión y por su rápida puestaen marcha. La demanda actual de turbinas de combustión y la competencia de mercado entre los fabricantes hapropiciado la reducción de los precios de las turbinas de combustión y de las centrales de ciclo combinado.Actualmente la capacidad estándar de las centrales de ciclo combinado es de 50 [MW] a 500 [MW].Las centrales mencionadas se caracterizan por plazos de entrega cortos y puesta en servicio escalonada. Laturbina de combustión se puede poner en operación en un plazo de ocho meses, suministrando las dos terceraspartes de la potencia total de la planta. La construcción de la turbina de vapor, que suministra una tercera partede la potencia, se instala de ocho a 12 meses adicionales (Plancherel 1992). Los plazos de instalación cortosproducen economías de inversión: cuanto más rápidamente pueda una central suministrar electricidad y aseguraringresos, menores serán los intereses del capital invertido.

Carácter modular de las centrales de ciclo combinado.

Las centrales de ciclo combinado se conciben en forma de instalaciones modulares destinadasexclusivamente a la producción de energía eléctrica o como instalaciones que suministran energía eléctrica ytérmica para el consumo industrial.

El carácter modular de las centrales de ciclo combinado permite reducir la capacidad excedenteinnecesaria, distribuyendo los costos de inversión en función del crecimiento real de la demanda de energíaeléctrica. La estandarización de los principales componentes de la central de ciclo combinado: turbina de gas,recuperador de calor y turbina de vapor ha reducido los costos y tiempos de puesta en marcha.

Menor requerimiento de espacio y de agua.La demanda de espacio para la instalación de este tipo de centrales es considerablemente menor que la

necesaria para una termoeléctrica convencional.Una de las principales características de una central de ciclo combinado es su menor consumo de agua

en relación con una termoeléctrica convencional, ya que este tipo de centrales utiliza en promedio una terceraparte del agua necesaria en el sistema de enfriamiento y en el ciclo de vapor.

Actualmente los ciclos combinados emplean sistemas de enfriamiento en seco o híbrido, lo que reduce elconsumo de agua en forma significativa.

Capacidad de utilizar una gran diversidad de combustibles.Por razones técnicas y económicas el combustible es un factor clave en una central de ciclo combinado.

Su composición química ejerce una influencia directa sobre su potencia y sobre sus emisiones contaminantes, así con respecto a su competitividad en un libre mercado.





Una razón importante del éxito de las instalaciones de ciclo combinado es la disponibilidad de gasnatural a precio competitivo. El gas natural se transporta fácilmente por gasoductos o en grandes distanciasmarítimas en forma líquida "LNG" (Liquefied Natural Gas).

Una de las características de las centrales de ciclo combinado es su capacidad para utilizar una gran

diversidad de combustibles: gas natural, productos de la refinación del petróleo, combustibles gasificados delpetróleo y del carbón, biomasa, etc. Esta capacidad disminuye la dependencia a una sola fuente energética.

Reducción de los niveles de emisiones contaminantes.La combustión de gas natural reduce considerablemente los niveles de emisiones contaminantes. Debido

a su composición química, principalmente metano (CH4), su combustión completa está casi libre de SO2 ypartículas, produciendo a su vez menores niveles de CO y CO2 en comparación con otros combustibles fósiles.Sin embargo, las elevadas temperaturas de combustión producen NOx térmicos y de combustible.

En la actualidad existen diversos métodos para reducir los niveles de NOx emitidos por una turbina decombustión. Los principales son:1) La combustión de mezclas aire/combustible con un exceso de aire.2) La inyección de vapor o agua a la cámara de combustión.

3) El diseño especial de la cámara de combustión.4) La reducción catalítica selectiva


• Para la realización de la experiencia se requiere de un software realizado para la Empresa Nacional deAeronáutica de Chile (ENAER)

• Computadores para la simulación


El contenido del informe deberá abarcar el desarrollo mínimo de los siguientes contenidos fundamentales: Teoríafundamental de la experiencia, objetivos de la experiencia, instrumentos empleados, descripción del métodoseguido o procedimiento experimental, presentación de datos y resultados (tablas, gráficos, etc.), discusión de losresultados, conclusiones.

5. EVALUACION


Introducción, objetivos, marco teórico 1.0 pto.Descripción de instrumentos empleados 1.0 pto.Descripción de la metodología utilizada 1.0 pto.Presentación de datos y resultados 1.0 pto.







EXPERIENCIA Nº : 5

TÍTULO : MOTOR STIRLING



Observar el funcionamiento del motor Stirling para generar energía eléctrica mediante ungenerador.

Determinar la potencia eléctrica útil con el plato grande del generador. Determinar la potencia eléctrica útil con el plato pequeño del generador. Graficar ambas potencias en función de la velocidad de giro.


Una de las más importantes aplicaciones para el motor Stirling se encuentra en el área de lageneración de la energía eléctrica, particularmente en situaciones en que se necesita una máquina capaz deoperar sin complicaciones ni alteración alguna por largos periodos de tiempos sin ser atendidos por laparte operacional ni de de mantención. Ejemplos de instalaciones donde un pequeño motor Stirling seríauna fuente de energía eficiente y segura son: luces de casas, boyas de navegación, faros, estacionesautomáticas de climatología en lugares remotos, estaciones elevadoras de tensión o repetidoras de señalespara sistemas de telecomunicaciones.

En la mayoría de las aplicaciones ya mencionadas la principal virtud del motor Stirling sería sueficiencia. También es importante que el motor pueda tener casi cualquier tamaño, peso y velocidad segúnlas necesidades. La puesta en marcha o detención generalmente no sería un motivo de preocupación, debido a

que en muchos casos se puede incluir un sistemas de baterías que almacene electricidad, de modo que laenergía podría ser extraída a un alto promedio en ciertos momentos (tales como en la noche de un faro, porejemplo), mientras que la energía generada por el motor sería en forma continuada a una tasa constante. Lamisma característica reduce la importancia de ser capaz de regular la velocidad del motor, ya quemuchas aplicaciones son preferibles y más fáciles ajustar el sistema eléctricamente que controlar el motor.

En este caso el motor Stirling está conectado por medio de una correa a un generador. Ésteconsiste en una espira de cable que gira en el interior de un imán. El imán se denomina estator y la espirarotor. Como ya se sabe un elemento conductor, recorrido por una corriente eléctrica genera a su alrededor uncampo magnético. De la misma manera, el magnetismo también puede crear electricidad.

Al girar la espira de cable (accionadas por el motor Stirling) en el interior de las líneas de fuerza delcampo magnético, se genera una diferencia de potencial entre los extremos del cable conductor, es decir, se

ha creado una corriente eléctrica que circula por el cable.Este fenómeno se llama inducción electromagnética. El generador permite transformar la energíamecánica del motor Stirling en energía eléctrica.

La espira de cable giratoria debe estar conectada a un cable eléctrico fijo para transportar laelectricidad generada: este contacto se realiza mediante un par de escobillas.


• Motor Stirling transparente.• Unidad Motor-Generador• Conjunto chimenea y mechero.• Medidor pVnT.• Unidad sensor pVn.• Osciloscopio.• Termopares.• Probeta graduada.• Alcohol de quemar.• Cables BNC'• Jeringa para gas 20 ml• Amperímetro.





• Voltímetro.• Reóstato.• Cables de conexión.

4. MONTAJE E INSTALACIÓN

Antes de realizar la experiencia, se debe montar e instalar cada equipo a utilizar en forma correcta.El montaje correspondiente a esta experiencia se observa en la Figura 1, donde en la placa inferior del

motor Stirling se procede a montar la unidad Motor-Generador teniendo la precaución de sacar la ampolletade dicha unidad. Una vez hecha esta operación se conecta el cable del sensor pVn al terminal del medidorpVnT, luego se procede a conectar las salidas V y p de dicho medidor a los canales X e Y del osciloscopio,respectivamente. El mechero se posiciona en la base del motor Stirling lo más cercano al extremo delcilindro desplazador, los termopares van conectados desde el medidor pVnT a los racores del cilindrodesplazador del motor Stirling, debe usarse el canal TI para medir la temperatura en el foco caliente (en elracor mas cercano al mechero), y el canal T2 para medir la temperatura en el foco frío (en el racor máslejano del mechero).

Fig 1: Esquema de la instalación

Por último, se procede a realizar la conexión eléctrica desde los terminales de salida de la unidadMotor-Generador, hacia el reóstato, amperímetro y voltímetro como se muestra en la figura 2.

Fig 2: Esquema de conexión del reóstato





5. CALIBRACIÓN DE LOS EQUIPOS

Una vez montado e instalado en equipamiento se procede a las calibraciones del medidor pVnT ydel sensor manométrico.

Para calibrar el medidor pVnT se debe encender, apareciendo en la pantalla central "CAL". Eneste momento los extremos de ambos termopares ya descubiertos, deben introducirse en un depósito con agua(destilada) con el objeto de que queden a igual temperatura y se pulsa la tecla "KALIBRIEREN T"(calibrar T). El calibrado de los termopares influye sólo en la diferencia de la temperatura que marcan, perono en los valores absolutos.

Después aparece en la pantalla superior "ot" (punto muerto superior). Indica la posición en la que elmotor tiene el menor volumen. El émbolo de trabajo del motor Stirling (émbolo dorado) se pone en suposición más baja y se pulsa la tecla "KALIBRIEREN V" (calibrar V). Si este calibrado no es correcto, seproduce un desplazamiento de fase en la tensión de salida relativa al volumen, deformando el diagrama pV.

Para el caso del sensor manométrico es necesaria su calibración para el análisis cuantitativo deldiagrama pV.

Se quita el trozo de tubo flexible de la placa de montaje y se mide primero con el osciloscopio latensión referente a la presión atmosférica exterior P0. El osciloscopio debe estar en modos DC e Yt y con laescala Y calibrada. Después se tira el émbolo de la jeringa de gas de cierre hermético (por ejemplo hasta 15ó 20 ml) y se empalma la jeringa al extremo del trozo de tubo del sensor. Empujando o tirando del émbolo sevaría la presión isotérmicamente. La presión en la jeringa se puede calcular y la tensión correspondientedel sensor manométrico se mide en el osciloscopio.

Al variar la presión isotérmicamente con este procedimiento se cumple que pV = constante. En elvolumen inicial V0, la presión p es igual a la presión atmosférica exterior p0. La Tabla 1 muestra elprocedimiento para anotar las medidas, tanto para la compresión como la expansión de la jeringa, en el quese ha tomado por p0 la presión atmosférica normal. El volumen del tubo pequeño (0,2 ml) se puededespreciar.

Tabla 1: Mediciones de compresión y expansión de la jeringa

COMPRESIÓN EXPANSIÓNV [ml] P [hPa] p-p0 [hPa] U [Volt] V [ml] P [hPa] p-p0 [hPa] U [Volt]

20 1013 0 2,35 15 1013 0 2,3519 1618 1717 18

16 1915 20

Luego se procede a graficar los valores presión v/s voltaje para así obtener la relación entre lapresión y el voltaje medidas en el osciloscopio, por medio de una regresión lineal (pendiente de la curva).

Para el área del diagrama pV el alcance X e Y del osciloscopio es de 0,5 [V /div]. El medidor pVnTda las siguientes tensiones para los volúmenes del motor Stirling:

Vmin = 32 [cm3] ⇒Umín = 0 [Volt]Vmáx = 44 [cm3] ⇒Umáx= 5 [Volt]ΔV =12 [cm3] ⇒ΔU = 5 [Volt]

La escala del eje X, es por lo tanto, 2,4[cm3 /Volt] ó 1,2[cm3 /div]

Leyendo las tensiones de las presiones máxima y mínima en el modo DC del osciloscopio, losvalores de presión del diagrama pV se pueden dar también en Pascal. La línea cero (ground) se encuentrageneralmente entorno a p0.






Una vez realizado el montaje y la calibración de los equipos, se procede a encender el mechero y

posicionarlo en el extremo del cilindro desplazador, se debe esperar que vayan aumentando lastemperaturas y cuando T1 supere los 100°C se impulsa con la mano la rueda transparente, haciéndolagirar en sentido horario, permitiendo el arranque del motor.

Cuando se alcanza un estado suficientemente estable (o sea, los valores de T y n varían poco), seprocede a tomar nota de las temperaturas (T1 y T2) y la velocidad de giro. Una vez anotados los valores enralentí, se detiene el motor Stirling para colocar la correa de transmisión entre el volante del motor y el platogrande del generador el reóstato debe llevarse a su resistencia mayor. Se vuelve a impulsar el volante delmotor en sentido horario para su arranque. Se debe reducir la resistencia por pasos anotando los valoresentregados por los instrumentos (amperímetro, voltímetro, temperaturas y velocidad de giro), teniendo encuenta la estabilización de estos datos antes de anotarlos.

Tabla 2: Mediciones con el plato grande del generador

nmin-1

T1°C

T2°C

ImA

VVolt

Pe1mW

Ralentí, sin correade transmisión

Donden : Velocidad de giro (rpm)T1: Temperatura del foco calienteT2: Temperatura del foco fríoI: Intensidad de corriente [mA]V: tensión en la resistencia de carga [Volt]

La potencia eléctrica en el plato grande (Pe 1) está dada por:

I V Pe ×=1 [mW]

De igual manera, se procede a repetir la operación, pero ahora conectando la correa detransmisión entre el volante del motor Stirling y el plato pequeño de la unidad Motor-Generador.





Tabla 3: Mediciones con el plato pequeño del generador

n

min-1

T1

°C

T2

°C

I

mA

V

Volt

Pe2

mWRalentí, sin correade transmisión

Donden : Velocidad de giro (rpm)T1: Temperatura del foco calienteT2: Temperatura del foco fríoI: Intensidad de corriente [mA]V: tensión en la resistencia de carga [Volt]

La potencia eléctrica en el plato pequeño (Pe 2) está dada por:

I V Pe ×=2 [mW]


El informe debe contener la siguiente estructura:1. Introducción

1.1. Objetivos1.2. Aplicaciones del motor Stirling1.2. Esquemas de las instalaciones1.3. Método experimental

2. Datos experimentales, cálculo de la potencia eléctrica útil con el plato grande y pequeño delgenerador y gráficos de ambas potencias en función de la velocidad de giro3. Conclusiones

8. EVALUACION


1. 1.5 puntos2. 2.5 puntos3. 2.0 puntos4. 1.0 punto baseTOTAL: 7 PUNTOS





EXPERIENCIA Nº : 6

TÍTULO : PRUEBAS EN UN COMPRESOR DE AIRE DE

DOS ETAPAS

ASIGNATURA : MÁQUINAS TÉRMICAS


Reconstruir el ciclo en un diagrama presión v/'s volumen para un compresor de dos etapas. Obtener la curva de caudal v/s presión de descarga.


2.1 Compresor de aire a pistón

Son los más habituales, de diversos tamaños y múltiples potencias, todos funcionan bajo el mismoprincipio: "un motor arrastra un cigüeñal unido a un juego biela-pistón que se desplaza en el interior de un

cilindro admitiendo e impulsando el aire mediante unas válvulas de admisión e impulsión”. Existen compresores de aire a pistón de una etapa conocidos como monofásicos y de varias etapas,

siendo los de dos etapas "bifásicos" los más utilizados.

2.2 Fundamento teórico

En el diagrama teórico pV mostrado en la Figura 1, el punto 1 marca el inicio de la compresión en dondeambas válvulas se encuentran cerradas. El pistón se desplaza hacia el punto muerto superior, reduciendo el

volumen original de aire con el consecuente aumento de la presión. Las válvulas permanecen cerradashasta el punto 2 y la presión dentro del cilindro ha alcanzado a la del depósito, justo después de este punto,las válvulas de descarga se abren completando así la carrera de entrega. El aire comprimido fluye a través

estas válvulas de descarga hacia el depósito. Después de que el pistón alcance el punto 3, las válvulasde descarga se cierran, dejando el espacio libre lleno con aire a igual presión que la de descarga. Durante lacarrera de expansión, tanto la válvula de admisión como la de descarga permanecen cerradas y el aire atrapado en el

espacio libre incrementa su volumen, lo cual provoca una reducción en la presión. Esto continúa a medida que elpistón se mueve hacia el punto muerto inferior, donde la presión del cilindro cae por debajo de la presión deadmisión en el punto 4. Las válvulas de admisión se abren ahora y el aire fluye dentro del cilindro hasta el final de lacarrera de retorno (carrera de aspiración) en el punto 1, repitiéndose el ciclo en la siguiente revolución del cigüeñal.

Fig 1: Ciclo ideal de un compresor

2.3 Espacio muerto

El espacio muerto o volumen nocivo corresponde al volumen residual entre el pistón y el fondo del cilindro y laslumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su punto muerto, estimándose entre un 3 y 10% de la carrera, deacuerdo con el modelo de compresor.

Esto provoca un retraso en la aspiración, debido a que el aire almacenado en el volumen residual a la presión dedescarga debe expandirse hasta la presión de admisión antes de permitir la entrada de aire en el cilindro.

Sin embargo, su efecto es doble en razón a que si por un lado disminuye el volumen de aspiración, por otro

ahorra energía, ya que la expansión produce un efecto motor sobre el pistón; se puede considerar que ambos





efectos se compensan bajo el punto de vista energético. Si el compresor no tuviese espacio muerto, el volumenresidual entre el punto muerto superior PMS y las válvulas de aspiración y escape sería 0; esta salvedad se hace envirtud de que la compresión del aire no se puede llevar, por razones físicas, hasta un volumen nulo, existiendo alextremo de la carrera del compresor un espacio muerto, que se corresponde con el menor volumen ocupado por el gas

en el proceso de compresión.El espacio muerto altera de forma significativa el diagrama presión v/s volumen del compresor, mostrado en la

Figura 2.

Fig 2: Efecto del espacio muerto

2.4 Ciclo real

En la Figura 3 se muestra la forma aproximada del diagrama presión v/s volumen del ciclo real de un compresor.Las zonas punteadas corresponden al aumento de trabajo necesario, debido a la sobre presión que se necesita para

abrir las válvulas y a las perdidas en los conductos de aspiración y de descarga.

Fig 3: Ciclo real de un compresor

2.5 Trabajo de compresión

En la Figura 4 se muestra el ciclo ideal para el caso de una compresión adiabática y para una compresión

isotérmica. El trabajo realizado por el compresor es igual al área del diagrama presión v/s volumen. Se observa que eltrabajo realizado es menor si la compresión es isotérmica y el ahorro de trabajo con respecto a la compresiónadiabática está representado por el área doblemente achurada.

En la práctica se refrigeran los cilindros de los compresores con aire o con agua y se obtiene una evolución que estáentre la isotérmica y la adiabática denominada evolución politrópica.





Fig 4: Evolución adiabática e isotérmica de un compresor

2.6 Compresión en etapas múltiples

Todos los elementos básicos de los compresores, sin importar el tipo, tienen ciertas condiciones que limitan suoperación. Los elementos básicos son de una sola etapa, es decir, la compresión y la entrega del gas se logra en unsolo elemento o grupos de elementos configurados en paralelos. Las siguientes son algunas de las limitaciones más

importantes:

Temperatura de descarga.

Diferencial de presión. Efecto del espacio libre (relacionado con la relación de compresión). El deseo de ahorrar energía.

La compresión en etapas múltiples tiene por objeto, reducir el trabajo de compresión, acercando lacompresión politrópica hacia la compresión isotérmica. Se ocupan varios cilindros, el primero de ellos comprime hastauna presión intermedia y a la salida de éste el aire (o el gas que se trate) se enfría hasta la isoterma, a continuaciónel siguiente cilindro comprime hasta una presión más alta.

En la Figura 5 se muestra el ahorro de trabajo de un compresor de dos etapas con respecto a una compresiónpolitrópica de una sola etapa. Este ahorro esta representado por el área 2’- 2 - 4’- 3’- 2’.

Fig 5: Trabajo ahorrado de compresión

2.7 Ecuaciones fundamentales

La capacidad de aire de un compresor es el caudal de aire libre, es decir, el aire en condiciones ambientales

expresado en volumen por unidad de tiempo (ejemplo ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

min

3m)

Se llama desplazamiento al volumen generado por el pistón desde el punto muerto superior (PMS) al punto muertoinferior (PMI), o sea corresponde al área del pistón multiplicada por su carrera.

[ ]32

4mcarrera Desp ⋅

⋅=

φ π





El desplazamiento por minuto corresponde al caudal teórico de aire manejado por el compresor y se obtiene apartir de la multiplicación del desplazamiento por la velocidad de giro del volante (RPM).

⎥⎦⎤⎢

⎣⎡⋅= minmin

3

m RPM Desp Desp

El rendimiento volumétrico de un compresor de émbolo se puede determinar midiendo el caudal de aire y eldesplazamiento.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

=

min

minarg

3

3

mento Desplazami

madodesclibre Aire

vη

La razón de compresión es el cuociente entre la presión de descarga y la presión de entrada.

entrada

adesc

t P

Pr

arg=


El laboratorio cuenta con un compresor de aire de dos etapas con refrigeración intermedia y de los cilindros, poraire. Éste es aspirado en condiciones ambientales, luego es comprimido en dos etapas para ser almacenado en unestanque de 300 [litros]. La presión nominal de descarga es de 10 [bar]. Las características del compresor son las

siguientes:

N° Etapas 2

N° Cilindros 2

∅ Cilindro de baja presión 3,74 [in] 95 [mm]

∅ Cilindro de alta presión 2,05 [in] 52 [mm]

Carrera 2,17 [in] 55 [mm]

Cilindrada 2,78 [cu in] 390 [cm3]

Máx. velocidad de rotación 1400 [rpm] 1400 [min-1]

Aire aspirado 19,27 [cfm] 546 [l/min]Aire descargado 15,5 [cfm] 440 [l/min]

Potencia del motor 5,5 [hp] 4,1 [kW]

Potencia absorbida 5,5 [kW]

Presión de descarga 1° etapa 43,5 [psi] 3 [bar]

Presión de descarga 2° etapa 142 [psi] 10 [bar]

Volumen total estanque 300 litros

Para efectuar las mediciones, se pone en marcha el compresor estando el estanque vacío (presión atmosférica).Entonces se mide la presión de descarga de cada etapa (la presión de aspiración de la segunda etapa corresponde a lapresión de descarga de la primera) y las temperaturas de entrada y salida cada 15 segundos desde el momento en quese pone en marcha el compresor y hasta que la presión sea de 10 [bar]. Para la experiencia es necesario el uso de uncronómetro y una termocupla.





t [s] PD1 [bar] PD2 [bar] T [°C]

0 0

15 …30 …

45 …

… …

tfinal 10

Con las mediciones de presión de descarga y temperatura en cada etapa se puede reconstruir el ciclo en undiagrama presión v/s volumen. Con las mediciones de presión de descarga en función del tiempo se determina elcaudal de aire libre en función de la presión de descarga. La manera de obtener los resultados se explicará en el

laboratorio.4. CONTENIDO DEL INFORME

1. Introducción.- Objetivos.- Tipos de compresores.

2. Esquema de la instalación.

3. Cálculos.

-

Datos experimentales.- Cálculos de caudal.- Reconstrucción del ciclo.

4 Gráficos.

5 Conclusiones.

5. EVALUACION


Punto 1 y 2 1.0 pto.Punto 3 2.0 pto.Punto 4 1.0 pto.Punto 5 2.0 ptos.






EXPERIENCIA Nº : 7

TÍTULO : INTERCAMBIADOR DE CALOR


1. OBJETIVO DE LA EXPERIENCIA

Estudiar la influencia de la velocidad del fluido en el coeficiente global de transferencia de

calor.

2. EQUIPO

El condensador multitubular de la experiencia es un intercambiador de calor de tubos del tipo 1-

2 (un paso de vapor por la carcasa y dos pasos de agua por los tubos). Consiste en un haz de 14 tubosde cobre de1/2” de diámetro y 800 mm de largo, que presentan disposición triangular dentro de lacarcasa. Están unidos en un extremo por un cabezal flotante, que permite extraerlos sin dificultad al

momento de limpiarlos y reduce las dilataciones y contracciones entre estos y, a su vez, con la carcasa.

El conjunto se encuentra al interior de una cañería negra de 4” de diámetro sellada por amboslados por bridas provistas de 8 pernos cada una. El agua de proceso recorre los 14 tubos en dos pasos.

Esto se logra haciéndola ingresar por los 7 tubos inferiores, y regresa por los 7 tubos superiores,

saliendo por el lado por donde ingresó. Por otro lado, el vapor ingresa por la parte superior del equipo ysale por debajo de éste. La línea de vapor consta de una cañería negra de 1” de diámetro, en la que se

encuentra instalada una válvula de globo, que permite la regulación de la presión de vapor, y tomas de

temperatura a la entrada y a la salida del equipo. La línea de agua de enfriamiento consta de una cañería

de acero galvanizado de ¾” de diámetro, la que tiene instalados una válvula de bola, una válvula deglobo para la regulación del flujo, una placa orificio conectada a un manómetro de Hg en “U” y tomas

de temperatura a la entrada y salida del equipo.

3. INSTRUMENTACION

Manómetro Bourdon (0 a35 psi) para medir la presión del vapor.

Manómetro en “U” de Hg conectado a la placa orificio.

Tomas de temperatura. Se dispone de cuatro vainas de cobre en las que podrá introducir los

termómetros.

T1: Temperatura de entrada agua de proceso.

T2: Temperatura de salida del agua de procesoT3: Temperatura de entrada del vapor

T4: Temperatura de salida del vapor.


Antes de que el equipo comience a funcionar, se deberá verificar que las válvulas del

manómetro en “U” se encuentren cerradas, y la que conecta a ambos capilares abierta, permitiendo queel flujo de agua de procesos arrastre el aire que se encuentra en éstas.

Se realizarán dos corridas de 20 minutos cada una, entre la cuales se variará el flujo de agua de

proceso.

Abrir las válvulas A y B completamente, permitiendo el flujo de agua de procesos.

Abrir la válvula C para permitir el ingreso de vapor, regulando su presión entre 6 y 14 libras porpulgada cuadrada, la que será constante durante la experiencia.

Luego de unos 15 minutos, regular el flujo de agua de procesos con la válvula B y registrar lalectura del manómetro en “U” conectado a la placa orificio (fijar entre 60 y 400 mm hg).

Una vez que el equipo se encuentre en estado estacionario, iniciar la corrida y realizar lo

siguiente:

Recoger y pesar el condensado durante la corrida.

Registrar las temperaturas mas de una vez por durante la corrida.

Registrar la lectura del manómetro en “U” .





Una vez terminada la corrida, variar el flujo de agua de procesos , esperar otros 15 minutos e iniciarla siguiente corrida.

PRECAUCIONES EN NINGUN CASO SE ABRIRA LA VALVULA DE VAPOR SIN QUE ESTE

CIRCULANDO AGUA DE ENFRIAMIENTO (AGUA DE PROCESO) RECUERDE QUE LAS SUPERFICIES DEL EQUIPO ESTAN CALIENTES. AL RECOGER EL CONDENSADO DEL VAPOR DE CALEFACCION, TENGA

CUIDADO DE NO DERRAMAR AGUA CALIENTE DEL BALDE O DESDE LAMANGUERA DE SALIDA.


El informe debe contener la siguiente estructura:

1. Introducción

1.1. Objetivos

1.2. Esquemas de las instalaciones1.3. Método experimental

2. Datos, resultados y gráficos

3. Discusión y conclusiones.

6. EVALUACION


1. 1.5 puntos2. 2.5 puntos

3. 2.0 puntos

4. 1.0 punto base

TOTAL: 7 PUNTOS

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Lab Maq Termicas Mecanica