UNIVERSIDAD NACIONAL

DEL CENTRO DEL PER

ULD DE QUIMICA

xxi

INDICEINTRODUCCINiiiResumenivOBJETIVOSvObjetivo GeneralvObjetivos especficosvMARCO TERICOviCiclo termodinmicoviPROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLESviiQu es la energa?viiiTURBINASxCALDERA:xiiiCALDERAS PIROTUBULARES:xvCALDERAS ACUOTUBULARES:xviCOMPRESORxxiTOBERA:xxvDIFUSOR:xxxiiiBOMBASxxxvCILINDRO NEUMTICO:xxxviiiCMARAS DE MEZCLAxlINTERCAMBIADORES DE CALORxliiMQUINAS DE VAPOR MODERNASxlivCONCLUSIONESlBIBLIOGRAFAli

INTRODUCCIN

Una caldera es una mquina o dispositivo de ingeniera que est diseado para generar vapor saturado. ste vapor se genera a travs de una transferencia de calor a presin constante, en la cual el fluido originalmente en estado lquido, se calienta y cambia de estado.Al disearse una caldera, se debe tener en cuenta que tenga una superficie lo suficientemente grande, como para permitir una buena transferencia de calor para que la combustin se realice de la forma ms eficiente posible y tambin de un modo tal, que las prdidas en calor sean lo ms pequeas, para as, obtener el mximo rendimiento.Estas se clasifican, atendiendo a la posicin relativa de los gases calientes y del agua, en acuotubulares y pirotubulares. En las calderas acuotubulares, por el interior de los tubos pasa agua o vapor, y los gases calientes se hallan en contacto con la superficie externa.Una caldera se puede elegir para un servicio determinado depende del combustible de que se disponga, tipo de servicio, capacidad de produccin de vapor requerida, duracin probable de la instalacin, y de otros factores de carcter econmico.

ResumenLos Equipos de uso intensivo de energa, son dispositivos que usan la energa para transformarla y realizar algn tipo de trabajo y para ello veremos las caractersticas usos y aplicaciones de cada uno de ellos y otros equipos relacionados a este tema. As mismo conocer el modelo matemtico de estos equipos.Para ello se definir Qu es la energa?, es el centro de toda nuestra existencia como individuos y como sociedad, debido a que est manifestada en nuestros alrededores, debemos ser conscientes al momento de usarla, ya que est pueden tener consecuencias, as como su transformacin. As mismo se identific los siguientes dispositivos: el compresor, la tobera, la turbina, la bomba, el difusor y el cilindro, los cuales estn descritos, tanto en caractersticas, funcionamiento y diseo del dispositivo.Despus de revisar finalmente se logr conocer y diferenciar cada uno de los dispositivos, as como sus modelos matemticos.

OBJETIVOS

Objetivo General Estudio de la unidad de proceso y los elementos que la componen, desarrollo de un modelo matemtico del sistema.

Objetivos especficos Conocer cules son los equipos de uso intensivo de energa, as como sus caractersticas, funcionamiento y diseo. Identificar los modelos matemticos aplicados a cada tipo de equipo de uso intensivo de energa

MARCO TERICOResultante de un proceso, generalmente de combustin, para incrementar la energa de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtencin de energa mecnica. Los ciclos termodinmicos empleados, exigen la utilizacin de una mquina o grupo generador que puede ser hidrulico (en los ciclos de turbina de vapor) o trmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin ste el grupo motor no puede funcionar, de ah que en la prctica se denomine Motor Trmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energa mecnica.Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las mquinas trmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente.

Tabla 1Mquinas trmicas

MotorasVolumtricasAlternativas (Mquina de vapor)

Rotativas (Motor rotativo de aire caliente)

TurbomquinasTurbinas

GeneradorasVolumtricasAlternativas (Compresor de mbolo)

Rotativas (Compresor rotativo)

TurbomquinasTurbocompresores

Ciclo termodinmico

El ciclo termodinmico realizado en una mquina trmica consta de varios procesos, en los que se intercambia energa trmica o energa mecnica o ambos a la vez.

En el caso de una mquina trmica motora, los procesos en los que se intercambia energa trmica son: 0. De absorcin de calor de un foco externo a temperatura elevada denominado foco caliente.0. De cesin de calor a un foco externo a temperatura ms baja denominado foco fro.

En una mquina trmica generadora, el intercambio de energa trmica se realiza en el sentido opuesto al descrito anteriormente.

Una mquina trmica en particular, la mquina de Carnot, de construccin terica, establece los lmites tericos al rendimiento que cualquier mquina trmica real puede obtener al trabajar en funcin de las temperaturas del foco caliente y del foco fro entre los que trabajo.

PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES

El calor fluye en forma espontnea de un cuerpo ms caliente hacia uno ms fro cuando se ponen en contacto, pero el procesos inverso slo se puede lograr por medio de una influencia externa. Cuando un bloque se desliza sobre una superficie spera, finalmente se detendr. Dichos procesos unidireccionales se llaman procesos irreversibles. Un proceso es irreversible si el sistema y sus alrededores no pueden regresarse a su estado inicial.

Un sistema puede ser reversible si el sistema pasa de un estado inicial a un estado final a travs de una sucesin de estados de equilibrio. Si un proceso es real ocurre en forma cuasiesttica, es decir, lo suficientemente lento como para que cada estado difiera de modo infinitesimal del equilibrio, se puede considerar reversible.

Como un proceso reversible se define por una sucesin de estado de equilibrio se puede representar por una curva en un diagrama de PV, en la cual se establece la trayectoria del proceso (Figura 5). Cada punto sobre la curva representa uno de los estado de equilibrio intermedios. Por otro lado, un proceso irreversible es aquel que pasa de un estado inicial a uno final a travs de una serie de estados de no-equilibrio. En este caso, slo los estado inicial y final se pueden representar en un diagrama de PV. Los estados intermedios, de no equilibrio pueden tener volmenes bien definidos, pero estos estados no estn caracterizados por una presin nica para todo el sistema. En lugar de ello, existen variaciones en la presin (y temperatura) a travs del rango de volumen y estas variaciones no persistirn si se dejan en libertad (es decir, condiciones de no equilibrio). Por esta razn, no es posible representar con una lnea un proceso irreversible en un diagrama de PV.

FIGURA N 1

http://html.rincondelvago.com/maquinas-termicas-y-la-segunda-ley-de-la-termodinamica.html

Qu es la energa?

La energa es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza.La energa se manifiesta en los cambios fsicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.La energa est presente tambin en los cambios qumicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposicin de agua mediante la corriente elctrica. La energa es una magnitud cuya unidad de medida en el S.I. es el julio (J).La Energa puede manifestarse de diferentes maneras: en forma de movimiento (cintica), de posicin (potencial), de calor, de electricidad, de radiaciones electromagnticas, etc. Segn sea el proceso, la energa se denomina: Energa trmica:Se debe al movimiento de las partculas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendr menos energa trmica que otro que est a mayor temperatura. La transferencia de energa trmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor.Energa elctrica: Es causada por el movimiento de las cargas elctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energa produce, fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, trmico y magntico.Energa radiante: Es la que poseen las ondas electromagnticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR), etc. La caracterstica principal de esta energa es que se puede propagar en el vaco, sin necesidad de soporte material alguno. Ej.: La energa que proporciona el Sol y que nos llega a la Tierra en forma de luz y calor.Energa qumica: Es la que se produce en las reacciones qumicas. Una pila o una batera poseen este tipo de energa. Ej.: La que posee el carbn y que se manifiesta al quemarlo.Energa nuclear: Es la energa almacenada en el ncleo de los tomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisin y de fusin, ej.: la energa del uranio, que se manifiesta en los reactores nucleares.Equipos de uso intensivo de energaLa conversin eficiente en calor y luego en trabajo de la energa qumica contenida en los combustibles o de la energa nuclear contenida en elementos radiactivos es importante para el mundo.Enseguida se presenta una lista de dispositivos que usan energa, y la transforman:

TURBINAS

DESCRIPCION: CARACTERISTICAS: Turbinaes el nombre genrico que se da a la mayora de lasturbomquinasmotoras. Son mquinas de fluido, a travs de las cuales pasa un fluido en forma continua y ste le entrega su energa a travs de un rodete con paletas oalabes.El elemento bsico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hlices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, donde el fluido produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energa mecnica se transfiere a travs de un eje para proporcionar el movimiento de una mquina, un compresor, un generador elctrico o una hlice.

USO: La turbina funciona bsicamente lanzando un fluido a travs de un conducto contra las palas, estas al girar transmiten su movimiento al rotor, que a su vez lo lleva a un alternador normalmente, donde es transformado en corriente alterna, que despus se suministra a los ncleos urbanos.Convierte en energa mecnica la energa de una corriente de agua, vapor de agua o gas.

APLICACIONES: Generacin de energa elctrica:

Motores de coche:

Propulsin de buques y aviones:

Altos hornos:

TIPOS:

TURBINAS TERMICAS Son aqullas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a travs de su paso por la mquina.

Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus diferencias fundamentales de diseo:

* Turbinas a vapor: su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a mercurio, que fueron populares en algn momento, y el de las turbinas a vapor de agua, que son las ms comunes.* Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase del fluido durante su paso por el rodete.Tambin al hablar de turbinas trmicas, suele hablarse de los siguientes subgrupos:* Turbinas a accin: en este tipo de turbinas el saltoentlpicoocurre slo en el estator, dndose la transferencia de energa slo por accin del cambio de velocidad del fluido.* Turbinas a reaccin: el salto entlpico se realiza tanto en el rodete como en el estator, o posiblemente, slo en rotor.Igual de comn es clasificar las turbinas por la presin existente en ellas en relacin a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo:* Turbinas de alta presin: son las ms pequeas de entre todas las etapas y son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina.* Turbinas de media presin.* Turbinas de baja presin: Son las ltimas de entre todas las etapas, son las ms largas y ya no pueden ser ms modeladas por la descripcineulerianade las turbomquinas.

TURBINAS HIDRAULICAS

Unaturbina hidrulicaes unaturbomquinamotora hidrulica, que aprovecha la energa de un fluido que pasa a travs de ella para producir un movimiento de rotacin que, transferido mediante un eje, mueve directamente una mquina o bien ungeneradorque transforma laenerga mecnicaen elctrica, as son el rgano fundamental de unacentral hidroelectrica.Son aqullas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerable a travs de su paso por el rodete o por el estator; stas son generalmente las turbinas de agua, que son las ms comunes, pero igual se pueden modelar como turbinas hidrulicas a los molinos de viento o aerogeneradores.Por serturbomquinassiguen la misma clasificacin de estas, y pertenecen, obviamente, al subgrupo de las turbomquinas hidrulicas y al subgrupo de las turbomquinas motoras. En el lenguaje comn de las turbinas hidrulicas se suele hablar en funcin de las siguientes clasificaciones:De acuerdo al cambio de presin en el rodete o al grado de reaccin:

* Turbinas de accin: Son aquellas en que el fluido no sufre ningn cambio de presin a travs de su paso por el rodete. La presin que el fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presin atmosfrica en la corona directriz, mantenindose constante en todo el rodete. Su principal caracterstica es que carecen de tubera de aspiracin. La principal turbina de accin es laTurbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un nmero especfico de revoluciones bajo. El distribuidor en estas turbinas se denomina inyector.* Turbinas de reaccin: Son aquellas en que el fluido s sufre un cambio de presin considerable a travs de su paso por el rodete. El fluido entra en el rodete con una presin superior a la atmosfrica y a la salida de ste presenta una depresin. Se caracterizan por presentar una tubera de aspiracin, la cual une la salida del rodete con la zona de descarga de fluido.

CALDERA:

DESCRIPCION:CARACTERISTICAS: Caldera es un recipiente metlico, cerrado, destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la accin del calor a una temperatura superior a la del ambiente y presin mayor que la atmosfrica.La transferencia de calor hacia el agua, se realiza por medio de tubos metlicos.

USO:El principio de funcionamiento de una caldera es sencillo: se pretende evaporar agua y sobrecalentar el vapor obtenido mediante la energa liberada en una reaccin de combustin. En concreto, la caldera de vapor elegida como base para el modelado funciona de la siguiente manera:

Esquema de funcionamiento de la caldera de vapor industrial

El agua de alimentacin, antes de entrar en el sistema generador de vapor propiamente dicho pasa por un intercambiador de calor cuyo objetivo es el precalentamiento de dicho agua antes de que sta entre en el economizador. Como medio calefactor se utiliza vapor de agua saturado que se obtiene en el caldern.En el economizador el agua se sigue calentando, aunque sin llegar a vaporizarse, utilizando como fluido calefactor los gases de combustin generados en la propia caldera.Despus del economizador el agua llega al caldern superior, y desde all, mediante los tubos bajantes accede al caldern inferior, desde dnde se reparte entre los distintos circuitos de generacin de vapor, correspondientes a la cmara de combustin y el banco de conveccin.El agua, al ascender por los tubos (por circulacin natural) se va vaporizando en parte, formando una mezcla de vapor y agua al llegar de nuevo al caldern superior. En este, el vapor generado debe separarse del agua, para lo cual se dispone de un sistema de separadores ciclnicos.El vapor seco que sale del caldern llega la seccin de sobrecalentamiento, formada por dos cuerpos separados por un atemperador. Al salir del sobrecalentador secundario, el vapor llega a un colector desde donde ya pasa a proceso.Esta caldera, que se ha elegido como base para el modelo, obtiene vapor sobrecalentado a 40 bares y 380C a partir de agua a 120C y utilizando como combustible un gas natural de poder calorfico inferior igual a 9100 kcal/mN.En los sistemas de calefaccin las calderas industriales se utilizan las calderas industriales, estas mquinas son empleadas para calentar agua o generar vapor a una presin muy alta, superior a la presin de la atmsfera.

Las calderas industriales usualmente constan de un compartimiento en donde el combustible es consumido en tanto que en otro compartimiento se coloca agua, que despus esta se convertir en vapor a alta presin.

APLICACIONES:Las calderas tienen una gran aplicacin en la industria ya que de ella depende muchos productos como hospitales que las utilizan para esterilizar los instrumentos mdicos, tambin en las petroleras para calentar los petrleos pesados para mejorar su fluidez, en alimentos, lavanderas, textiles etc.

El agua utilizada en calderas de agua caliente y de vapor (para producir ste), necesita normalmente de un tratamiento previo de descalcificacin, etc. para preservar la vida de la caldera en la que se usen, adems de, en ocasiones, purgas continuas de lodos y espumas que el proceso genera, lo que deriva en prdidas de energa. Por otra parte, suele estar a disposicin de los usuarios con facilidad y en abundancia.TIPOS:Las calderas en la industria se clasifican el calderas acuotubular, calderas pirotubular, y las de funcin seccional, las calderas acuotubulares transportan agua dentro de los tubos y las calderas pirotubulares transportan fuego a travs de los tubos y las seccionales constan de secciones huecas dentro de las cuales se hace circular agua, estas mquinas se utilizan en plantas donde se requiere el agua caliente y aire caliente.

CALDERAS PIROTUBULARES: Se denominan pirotubulares por ser los gases calientes procedentes de la combustin de un combustible, los que circulan por el interior de tubos cuyo exterior esta baado por el agua de la caldera. El combustible se quema en un hogar, en donde tiene lugar la transmisin de calor por radiacin, y los gases resultantes, se les hace circular a travs de los tubos que constituyen el haz tubular de la caldera, y donde tiene lugar el intercambio de calor por conduccin y conveccin. Segn sea una o varias las veces que los gases pasan a travs del haz tubular, se tienen las calderas de uno o de varios pasos. En el caso de calderas de varios pasos, en cada uno de ellos, los humos solo atraviesan un determinado nmero de tubos, cosa que se logra mediante las denominadas cmaras de humos. Una vez realizado el intercambio trmico, los humos son expulsados al exterior a travs de la chimenea.

CALDERAS ACUOTUBULARES:En estas calderas, al contrario de lo que ocurre en las pirotubulares, es el agua el que circula por el interior de tubos que conforman un circuito cerrado a travs del caldern o calderines que constituye la superficie de intercambio de calor de la caldera. Adicionalmente, pueden estar dotadas de otros elementos de intercambio de calor, como pueden ser el sobrecalentador, recalentador, economizador, etc. Estas calderas, constan de un hogar configurado por tubos de agua, tubos y refractario, o solamente refractario, en el cual se produce la combustin del combustible y constituyendo la zona de radiacin de la caldera. Desde dicho hogar, los gases calientes resultantes de la combustin son conducidos a travs del circuito de la caldera, configurado este por paneles de tubos y constituyendo la zona de conveccin de la caldera. Finalmente, los gases son enviados a la atmsfera a travs de la chimenea.Con objeto de obtener un mayor rendimiento en la caldera, se las suele dotar de elementos, como los ya citados, economizadores y precalentadores, que hacen que la temperatura de los gases a su salida de la caldera, sea menor, aprovechando as mejor el calor sensible de dichos gases.

BALANCE DE MATERIA DE LA CALDERADatos en la medicin de caldera: Tabla 2Porcentaje de carga (%)55.2

Presin de vapor (kg/cm2)4.6

Temp. agua de alimentacin (C)45.0

Temperatura de aire (C)27.0

Presin de combustible (kg/cm2)1.7

Temp. Comb. Ingres. Quema (C)110

Combustible alimentado (gal/mes)6000

Agua alimentada (m3)20

Tiempo de trabajo (Hr)08

Potencia de caldera (HP)200

Anlisis de los gases de chimenea Tabla 3%CO27.5

%O213

Ppm CO450

ndice de bacharach4

Temp.. gases de chimenea (C)200

Humedad relativa del ambiente (%)61

Ecuacin a utilizar en el balance de materia:Balance de materiaENTRADAS Combustible

AIRE

Humedad del aire

SALIDAS Gas seco de chimenea

Humedad del gas de chimenea

APLICACIONES DE LA CALDERA: Por sus caractersticas, puede ser aplicada en diferentes industrias, tales como: Queseras Lavanderas y Tintoreras Embotelladoras procesadores de alimentos Mataderos Industria alimenticia Industria del cromado Plantas textiles Plantas de secado Plantas de confeccin Calefaccin Fabricas de bloques de concreto Plantas de curaje de concreto Procesadoras de plsticos Plantas de industria qumica Teneras Procesadoras de asfalto

FUENTE:

FACTOR DE VAPORIZACIN DE CALDERA Este factor corresponde a la cantidad de calor que debe ser absorbido por un kilogramo de agua lquida alimentada a 100C para convertirse en un kilogramo de vapor de agua a 100C. Factor Vaporizacin = Entalpa vapor a 100 C Entalpa agua lquida a 100 C EFICIENCIA DE COMBUSTINEs una medida de la efectividad en que el calor obtenido a partir de la combustin del combustible se convierte en calor utilizable para la caldera. Esta eficiencia se puede determinar a partir de la temperatura de la chimenea de gases de combustin, as como de la concentracin de la concentracin de oxgeno o dixido de carbono en los mismos, apoyndose en grficas ya calculadas de eficiencia versus temperatura y composicin del oxgeno en los gases de combustin. EFICIENCIA DE CALDERA Corresponde al porcentaje o razn de la cantidad de vapor producido en una caldera a partir de la cantidad de calor administrado por el combustible quemado. La eficiencia de una caldera, es la relacin entre la energa absorbida para la evaporacin o generacin de vapor (Q salida) y la suma de energas introducidas al proceso (Q entrada). Q salida / Q entrada = EficienciaEl diferencial entre ambos, es la energa perdida del proceso (calor expulsado a la atmsfera). Q entrada - Q salida = PrdidaUna caldera, en trminos genricos, es un intercambiador de calor ya que por un lado se adiciona fuego y gases de combustin y por el otro lado agua que se calienta y evapora. La eficiencia de la caldera, es la eficiencia del proceso de intercambio de calor.

COMPRESOR

Definicin:

Un compresor es una mquina de fluido que est construida para aumentar la presin y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a travs de un intercambio de energa entre la mquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por l convirtindose en energa de flujo, aumentando su presin y energa cintica impulsndola a fluir.

Usos:Los compresores son ampliamente utilizados en la actualidad en campos de la ingeniera y hacen posible nuestro modo de vida por razones como:

En las bombas, el trabajo consumido se utiliza para cambiar el estado del lquido que circula por ellas Son parte importantsima de muchos sistemas de refrigeracin y se encuentran en cada refrigerador casero, y en infinidad de sistemas de aire acondicionado. Se encuentran en sistemas de generacin de energa elctrica, tal como lo es el Ciclo Brayton. Se encuentran en el interior muchos "motores de avin", como lo son los turborreactores y hacen posible su funcionamiento. Generan gases comprimidos para la red de alimentacin de sistemas neumticos, los cuales mueven fbricas completas.

Tipos de compresores:Los compresores son de dos tipos generales: el de movimiento alternativo (o de cilindro y mbolo) y el de movimiento rotativo (ya sea de accin directa, o bien, centrfuga); los del segundo tipo son los que predominan en la prctica.

Movimiento rotativo: Sistema de flujo constante y estado estable, donde la sustancia fluye por un volumen de control cuyas fronteras estn en las secciones de succin y de descarga. Se aplica en este caso la ecuacin de energa con flujo constante, en la que se suprimen los trminos energticos despreciables.

Figura 1

Considere que el proceso es adiabtico con , lo anterior da Representemos la masa de fluido que entra y que sale por m, o bien por m si se considera un flujo en particular. Entonces.

Donde VI' es el volumen medido a PI y TI' correspondiente a la masa m'. Un enfoque similar para un proceso poli trpico de flujo constante produce una ecuacin de la misma forma, con n en lugar de k.

Movimiento alternativo: Los fenmenos dentro del cilindro se describen en la figura 2. Si en primer lugar se considera que el compresor tiene un espacio muerto nulo, se realiza trabajo sobre el pistn desde a hasta 1, actuando la presin constante del gas p; asimismo, se efecta trabajo sobre el pistn desde 2 hasta por el gas a la presin P2' El trabajo total realizado sobre el gas se ve ahora que es- J Vd., o sea, el rea detrs de la curva 1-2; es decir, que a esta integral corresponde el trabajo de aspirar, comprimir (sin flujo) y descargar el gas. Con el mismo razonamiento, el rea b-3-4-a es tambin - J Vd., pero, desde luego, en el caso de una masa diferente.Puesto que las reas en un plano p V representan energa, el rea encerrada por 1-2-3-4corresponde al trabajo efectuado por este compresor ordinario.

Figura 2

TOBERA:

DefinicinUna tobera es un dispositivo diseado para transformar entalpa en energa cintica. Tambin se dice que convierte la energa trmica y de presin de un fluido (conocida comoentalpa) en energa cintica. Como tal, es utilizado enturbo mquinasy otras mquinas, como inyectores, surtidores, propulsin a chorro, etc. El fluido sufre un aumento de velocidad a medida que la seccin de la tobera va disminuyendo, por lo que sufre tambin una disminucin de presin y temperatura al conservarse la energa. Existen diseos y tipos de tobera muy usados en diferentes campos de la ingeniera, como la de Laval, Rateau, Curtis, etc.Condiciones que cumplen las trasformaciones del fluido en una tobera Sonisoentrpicas(se tratara de un proceso reversible, sin prdidas), y por tantoadiabticas(no hay una transmisin de calor del fluido a la tobera o al exterior). Se mantendra enrgimen estacionario(con lo cual, el flujo msico de fluido (compresible) que se desplaza a lo largo de la tobera permanecera constante todo a lo largo de la misma).Figura 3

Rendimiento adiabtico de la tobera:

Eficiencia:

Toberas (dc>0)Si Ma1, dA positivo. Tobera divergente

Figura 4

Funcionamiento de una tobera:En condiciones de diseo:Figura 5

En condiciones fuera de diseo:Figura 6

Tipos de toberas:

I. Toberas de PresinEn las que el lquido est a presin y se divide por su inherente estabilidad y su choque con la atmsfera, o bien por su choque con otro chorro o con una placa fija.Las toberas de presin son e general relativamente sencillas, pequeas y poco costosas y consumen por lo general menos potencia que otros tipos. Pueden emplearse con todos los lquidos que contengan una viscosidad menor que unos 300 a 500 seg. Saybolt y que no contengan partculas slidas mayores que los pasajes de la tobera.

II. Toberas de cono huecoLas toberas de presin tienen un campo de aplicacin muy vasto y se encuentran en el comercio en una gran variedad de modelos y tamaos. La ms comn es la llamada de cono hueco y en ella se alimenta el lquido a una cmara por pasajes tangenciales o por una espiral fija, de modo que adquieran rpido movimiento de rotacin. El orificio esta colocado en el eje de la cmara de remolinos y el lquido sale en una lmina con forma de cono hueco que luego se divide en gotas. En la figura 1.1.1. Se representan tres modelos de estas toberas. Dichas toberas se construyen con orificios de 0.5 mm (0.02'') a 51 mm (2'') de dimetro, con gastos de derrame correspondientes de 0.038 a ms de 760 l/min. Los tamaos mayores se emplean para los estanques de enfriamiento, para lavar grava y arena, airear agua, etc., y suelen trabajar a presiones relativamente bajas. Las toberas ms pequeas se emplean para el secado por pulverizacin, los lavadores y los humidificadores de aire, los quemadores de petrleo, la absorcin de gases, etc., y suelen funcionar con presiones algo ms altas. Como en las toberas de presin la capacidad de una tobera dad es casi proporcional a la raz cuadrada de la presin, salvo a presiones extremadamente altas a las cuales los rozamientos limitan la descarga o derrame. Las presiones de trabajo no suelen ser superiores a 21 kg. /cm.2, salvo en casos especiales, como la pulverizacin de leche, en la que se emplean presiones de 70 a 490 kg. /cm2. Para un diseo dado de tobera, la descarga a presin constante es aproximadamente proporcional al rea del orificio, aunque en este no corra el lquido llenndolo totalmente. La descarga o derrame no vara mucho con la viscosidad del fluido, hasta que esta sea mayor de 10 veces la del agua. El ngulo comprendido en el cono de rociada suele aumentar con la presin lentamente hasta un mximo y luego disminuye, pero depende en gran parte de las proporciones de la tobera. Una espiral con un paso corto, produce una rociada de cono ancho, mientras que inversamente, una espiral de paso grande da una de cono cerrado. El ngulo puede ser de 15 a 135 grados, pero no siempre resulta posible la obtencin de toberas comerciales que nos den el ngulo deseado cuando la presin y el gasto de derrame son tambin fijos. Las toberas de cono cerrado tienden a la produccin de un cono macizo ms bien que uno hueco.III. Toberas de cono macizoEsta tobera es una modificacin de la de cono hueco y se emplea cuando se desea abarcar por completo una superficie fija. Se emplea en ciertas aplicaciones de lavado, para enfriar y airear agua, y para otros fines en que resulte ventajoso la distribucin especial ms que uniforme. En la figura 1.1.2. Puede verse la construccin y funcionamiento de una tobera tpica de cono macizo. La tobera es en esencia una de cono hueco a la que se le ha aadido un chorro axial que choca contra el lquido en rotacin justamente en el orificio. La divisin del lquido se debe en gran parte a este choque y a la turbulencia resultante. El fluido parece salir del orificio en forma de gotas mientras que en la de cono hueco suele observarse por lo general una lmina cnica corta que luego se rompe en gotitas fuera del orificio. Para obtener una distribucin espacial uniforme es necesario disear la tobera de modo que exista una proporcin adecuada entre la cantidad de lquido alimentado al chorro central, la cantidad del que se hace girar y el tamao del orificio. Normalmente, es mayor la cantidad de lquido que se puede hacer girar que la del chorro axial. Puede conectarse una tubera independiente de alimentacin para el chorro central, de modo que puedan mezclarse ntimamente dos lquidos o un lquido y un gas. Esto frecuentemente resulta til en ciertas aplicaciones qumicas.El ngulo comprendido en el cono macizo es funcin del diseo de la boquilla y es casi independiente de la presin. Varias toberas comerciales de cono macizo producen conos con ngulos comprendidos que van de 30 a 100 grados. Con un diseo especial puede conseguirse una rociada de cono macizo sin chorro central con ngulo comprendido tan grande como 100 grados.Las toberas de cono macizo no suelen encontrarse en el comercio en tamaos tan pequeos como las del cono hueco, pero los tamaos corrientes tienen gastos de derrame que van desde menos de 3.8 l/min. Hasta varios centenares de litros por minuto.

IV. Toberas de abanicoUn tercer modelo de tobera de presin es la llamada de abanico. Por medio de cortes fresados o canales en la cara posterior de la placa del orificio, y a veces de un orificio alargado, o por medio de dos chorros inclinados, se hace que el fluido salga en lmina de forma de abanico que luego se rompe en gotitas. En la figura 1.1.3. Pueden verse algunas toberas de tipo abanico tpicas. Debido a la tensin superficial, los bordes de la lmina estn por lo general limitados por corrientes macizas o cuernos, en particular en los tamaos ms pequeos, que pueden comprender entre una cuarta parte y la mitad de la cantidad total de lquido pulverizado. Esas corrientes se rompen en corrientes ms gruesas que la lmina central. Los cuernos no suelen ser tan acusados en los tamaos mayores, ni para ngulos comprendidos por la rociada inferior a unos 50 grados. Las toberas de abanico son tiles cuando se desea distribuir el lquido siguiendo una lnea determinada, como sucede cuando se lava, se limpia, se recubre o se enfra un material en un proceso continuo. El ngulo del abanico es de 10 a 130 grados en las toberas normalizadas y sus capacidades oscilan entre 0.38 y 76 l/min.V. Toberas de choqueOtro tipo de tobera utilizada para ciertos fines especiales es el de choque. Se hace chocar a una corriente maciza de lquido a presin contra una superficie fija o contra otra corriente anloga. Mediante una orientacin y una forma adecuada de la placa o variando el tamao y la direccin de las dos corrientes de fluidos es posible obtener un cono hueco o una lmina en forma de abanico o de disco. Con toberas de choque es posible producir gotas de tamaos ms uniformes que con otros tipos de toberas de presin, si se mantiene la corriente laminar. En estos ltimos tipos es extremadamente difcil conseguir la corriente laminar debido a sus piezas esenciales interiores. Por el contrario, los orificios de las toberas de choque pueden proyectarse para que produzcan flujo laminar si se toman las precauciones apropiadas y se aplican a operaciones continuas como el lavado de gases y a reacciones qumicas entre un lquido y un gas en las que los tamaos ms uniformes de las gotas conducen en total a una economa a pesar del mayor costo de las toberas. Las pequeas toberas de choque como la de la figura 1.1.4. Suelen usarse en el humidificador de aire.VI. Toberas de niebla para extinguir incendiosHay en el mercado varias toberas especiales de rociada para extinguir incendios, especialmente los producidos en petrleos y sus aceites. Corrientemente son de presin diseados para producir una densa capa o niebla de gotas de agua relativamente pequeas. Su efecto extintor se debe primordialmente al enfriamiento de los gases quemados por su contacto con las gotas de agua y principalmente por la evaporacin de dichas gotas. Se consume una cantidad de agua relativamente pequea, en comparacin con la gastada por las mangueras ordinarias. Por lo que reducen la inundacin y el esparcimiento consiguiente de los lquidos en llamas. Comnmente se emplea un cabezal o distribuidor mltiple de rociadas que comprende varias toberas de alguno de los tipos corrientes. Sirve ello para producir pequeas gotas y formar adems una manta de rociado de un volumen relativamente grande. Estas toberas trabajan a presiones de 3.5 a 14 kg. /cm, y descargan hasta 760 l/min.VII. Toberas RotativasLa parte fundamental de una tobera rotativa es un disco o una copa generalmente conectado directamente a un motor elctrico. El lquido que se pulveriza se alimenta bajo presin al centro del disco rotativo. Se emplean diversos modelos de discos, con el fin de mejorar las caractersticas de la rociada. A menudo se ponen aletas a la periferia del disco, o se montan independientemente a corta distancia de ella, para facilitar la dispersin o eliminar algunas de las gotas ms grandes. La tobera rotativa es particularmente til para pulverizar o rociar lquidos viscosos, lechadas, y lquidos que contengan partculas slidas que obstruiran otras toberas; se emplea tambin en algunos lavadores de aire, en pequeos aparatos para humedecer aire y en los quemadores de petrleo para uso domstico. El lquido pulverizado es lanzado en todas las direcciones en el plano del disco, y esto es a menudo un inconveniente. La velocidad del disco, depende de la aplicacin y del tamao de la tobera y vara entre unos cuantos cientos y varios miles de r.p.m. La cantidad de lquido pulverizado se controla fcilmente entre lmites extensos. Los pequeos aparatos solo rocan unos litros por hora para humedecer aire, en tanto que los grandes funcionan con un gasto de derrame de 378 l/min. El tamao de las gotas producidas se modifica cambiando la velocidad de rotacin y dicho gasto, siendo las grandes velocidades y los bajos gastos los que dan gotas ms pequeas. Las toberas rotativas necesitan por lo general ms potencia para funcionar que las de presin, para una aplicacin determinada. Esto se debe probablemente a las perdidas por rozamientos entre el disco y el lquido, y entre este y el aire. Y adems, a menudo hay que usar una bomba para suministrar lquido al disco. Las toberas rotativas son relativamente grandes y costosos y no suelen emplearse en los casos en que pueden aplicarse las de presin.VIII. Toberas AtomizadorasEl lquido se pulveriza por su choque con una corriente de gas a gran velocidad, generalmente de aire o vapor. El lquido puede alimentarse bajo presin por la carga hidrulica debida a su densidad o por aspiracin por el efecto del inyector de la corriente de gas. El contacto entre el lquido y el gas, puede tener lugar completamente fuera de la tobera dentro de una cmara en la cual sale el lquido pulverizado por un orificio. La forma de la nube de rociado se controla variando la forma del orificio en los tipos de mezcla interna y por medio de chorros auxiliares de gas en la mezcla externa.IX. El motor cohete termoqumicoUna de las aplicaciones que tienen las toberas es precisamente en este motor. Los motores cohetes termodinmicos pueden dividirse en dos segn el combustible utilizado: pro pulsante (o proponente) lquido y de propulsaste slido.Este motor cohete de pro pulsante a lquido funciona as: El comburente y el combustible se bombean a travs de la placa de inyectores a la cmara de combustin, donde se efecta est a grande presin. Los gases de combustin a alta presin y alta temperatura se expanden a medida que fluyen por la tobera, y como resultado salen de esta a gran velocidad. El cambio de cantidad de movimiento que implica este aumento de velocidad, da lugar al empuje hacia adelante (reaccin propulsiva) ejercida sobre el vehculo.

DIFUSOR:

Un difusor transforma energa cintica en entalpa. El difusor ideal es el inverso de la toberaideal. En la figura 7(b), a lo largo de la isentrpica, hl + KI = h2 + K2 = hOI =hOl, Yel fluido se representa saliendo del difusor con una energa cintica K2 El cambioreal de estado 1-2' es con entropa creciente; el fluido sale con una energa cintica K2.Por lo general, la energa cintica es despreciable, de manera que K2, se ha exagerado enla figura 7(b). Si K2' es casi nula, los puntos a y O' tienden a coincidir y h2 "" ho, como en la figura 18/9(c), donde K2 es la energa cintica que tendra el fluido si salieradel difusor segn una isentrpica hasta P2' En el caso de flujo adiabtico y W = O, laecuacin (18-12) adaptada al difusor se convierte en anloga a la ecuacin (18-20) para una tobera. En general, las eficiencias reales de difusor son menores que las de toberas que funcionan entre los mismos estados extremos; en el caso de difusores supersnicos hay problemas de ondas de choque, particularmente en condiciones variables de funcionamiento, como sucede en un motor de reaccin supersnico.

Figura 7Difusor. Un difusor convergente-divergente implica que v1 es supersnica

DondeK2' puede ser despreciable. Se observa que el numerador de la eficiencia es el cambio isentrpico de energa cintica.Los difusores sern divergentes slo cuando el fluido de entrada se mueve subsnicamente, o bien, en teora, convergentes-divergentes cuando el fluido entrante se mueve supersnicamente.

Difusores (dc (velocidad snica), tobera convergente.

Si:

Entonces v1> (velocidad snica), difusor convergente.

BOMBAS

Un equipo de bombeo es un transformador de energa, mecnica que puede proceder de un motor elctrico, trmico, etc. y la convierte en energa, que un fluido adquiere en forma de presin, de posicin y de velocidad.Bomba centrifugaLas bombas centrfugas, debido a sus caractersticas, son las bombas que ms se aplican en la industria. Las razones de estas preferencias son las siguientes:Caractersticas Son aparatos giratorios. No tienen rganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy sencillos. La impulsin elctrica del motor que la mueve es bastante sencilla. Para una operacin definida, el gasto es constante y no se requiere dispositivo regulador. Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias.

Ventajas econmicas El precio de una bomba centrfuga es aproximadamente del precio de la bomba de mbolo equivalente. El espacio requerido es aproximadamente 1/8 del de la bomba de mbolo equivalente. El peso es muy pequeo y por lo tanto las cimentaciones tambin lo son. El mantenimiento de una bomba centrfuga slo se reduce a renovar el aceite de las chumaceras, los empaques de la presa-estopa y el nmero de elementos a cambiar es muy pequeo.Funcionamiento y partes del diseo:Las bombas centrfugas mueven un cierto volumen de lquido entre dos niveles; son pues, mquinas hidrulicas que transforman un trabajo mecnico en otro de tipo hidrulico. Los elementos constructivos de que constan son:a) Una tubera de aspiracin, que concluye prcticamente en la brida de aspiracin.b) El impulsor o rodete, formado por una serie de labes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte mvil de la bomba. El lquido penetra axialmente por la tubera de aspiracin hasta el centro del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio de direccin ms o menos brusco, pasando a radial, (en las centrfugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleracin y absorbiendo un trabajo.Los labes del rodete someten a las partculas de lquido a un movimiento de rotacin muy rpido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrfuga, de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presin en el impulsor segn la distancia al eje. La elevacin del lquido se produce por la reaccin entre ste y el rodete sometido al movimiento de rotacin; en la voluta se transforma parte de la energa dinmica adquirida en el rodete, en energa de presin, siendo lanzados los filetes lquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubera de impulsin.La carcasa, (voluta), est dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separacin entre ella y el rodete es mnima en la parte superior; la separacin va aumentando hasta que las partculas lquidas se encuentran frente a la abertura de impulsin; en algunas bombas existe, a la salida del rodete, una directriz de labes que gua el lquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la voluta.c) Una tubera de impulsin.- La finalidad de la voluta es la de recoger el lquido a gran velocidad, cambiar la direccin de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsin de la bomba.La voluta es tambin un transformador de energa, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la energa dinmica creada en el rodete en energa de presin), aumentando la presin del lquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta.Diseo de una bomba centrfuga Figura 11Bomba Centrfuga

Este es, en general, el funcionamiento de una bomba centrfuga aunque existen distintos tipos y variantes.La estructura de las bombas centrfugas es anloga a la de las turbinas hidrulicas, salvo que el proceso energtico es inverso; en las turbinas se aprovecha la altura de un salto hidrulico para generar una velocidad de rotacin en la rueda, mientras que en las bombas centrfugas la velocidad comunicada por el rodete al lquido se transforma, en parte, en presin, logrndose as su desplazamiento y posterior elevacin.

CILINDRO NEUMTICO:

Los cilindros neumticos son unidades que transforman la energa potencial del aire comprimido en energa cintica o en fuerzas prensoras. Bsicamente consisten en un recipiente cilndrico provisto de un mbolo o pistn. Al introducir un determinado caudal de aire comprimido, ste se expande dentro de la cmara y provoca un desplazamiento lineal. Si se acopla al embolo un vstago rgido, este mecanismo es capaz de empujar algn elemento, o simplemente sujetarlo. La fuerza de empuje es proporcional a la presin del aire y a la superficie del pistn:F = p. A

Donde: F = Fuerza p = Presin manomtrica A = rea del mbolo o pistnConsumo de aire en cilindrosEl clculo del consumo de aire en cilindros neumticos es muy importante cuando se requiere conocer la capacidad del compresor necesario para abastecer a la demanda de una instalacin.Puede calcularse con la siguiente frmula, o mediante el baco adjunto:Q = (/ 4). d2. c . n . P. N. 10-6Donde: Q = Consumo de aire (Nl/min) d = Dimetro del cilindro (mm) c = Carrera del cilindro (mm) n = Nmero de ciclos completos por minuto P = Presin absoluta=Presin relativa de trabajo + 1 bar N = Nmero de efectos del cilindro (N=1 para simple efecto, N=2 para doble efecto)

Diseo de un cilindro neumticoFigura 12 Cilindro Neumtico

En los cilindros de doble efecto existen dos tomas de aire, una a cada lado del mbolo. Estos cilindros pueden producir movimiento en ambos sentidos, avance y retroceso, a diferencia de lo que ocurre con los de simple efecto.La carrera de los cilindros de doble efecto puede ser muy larga, pero hay que tener en cuenta la posicin de pandeo del vstago en su posicin extrema, ya que dicha posicin la delimitar. Cuando la velocidad de los cilindros es muy grande se emplean dispositivos especiales para amortiguar los finales de carrera, denominndose cilindros con amortiguacin interna a aquellos que disponen de dichos dispositivos.En los cilindros de doble efecto la fuerza efectiva en el avance es diferente a la equivalente en el retroceso, ya que las superficies efectivas sobre las cuales acta la presin del aire son distintas en cada caso.

CMARAS DE MEZCLA

La seccin donde sucede el proceso de mezclado de dos corrientes de fluidos, es llamada cmara de mezcla, o mezcladores.Este tipo de dispositivo solo se emplea en los sistemas continuos o circulantes para la mezcla completa de fluidos miscibles. Mezcladores de ChorroEstos, entre los cuales estn los sopletes oxhdricos, se basan en el choque de un chorro contra otro, generalmente ambos a presin. Este tipo de mezclador se emplea a veces para lquidos, pero su mayor aplicacin es la mezcla de combustibles gaseosos antes de inflamarlos (figura 6.1.) Mezcladores de InyectorEstos consisten en un tubo principal, y en un tubo, un surtidor, una tobera o un orificio auxiliar por el que se inyecta un segundo ingrediente en la corriente principal. Este tipo de casos se alimenta el material por la tubera auxiliar a presin y velocidad suficientes para que circule por la tubera principal. Este material procede del tanque de alimentacin y se recircula por medio de una bomba exterior. Un requisito indispensable para que se produzca una mezcla rpida y completa en este tipo de mezclador es que la masa velocidad de la corriente auxiliar sea mucho mayor que la de la corriente principal. Mezcladores de Columnas con Orificios o de TurbulenciaEstos mezcladores, utilizadores principalmente para el tratamiento continuo de los destilados de petrleo, pueden ser como el A de la figura 6.3. Que representa una columna sencilla con orificios, o como el B, que, ilustra una tobera Duriron especialmente diseada para producir turbulencia mxima. Estos mezcladores se basan en la transformacin de la energa de presin en energa de velocidad turbulenta y encuentra muchas aplicaciones cuando la viscosidad es demasiado pequea para permitir que se completen las reacciones en el poco tiempo disponible. Ambos tipos son fciles para instalar. Sistemas de Circulacin MixtaEstos, entre los cuales estn los elevadores de agua por aire comprimido, los tubos "vomit (vomitadores), los tubos de tiro largo y las bombas exteriores de circulacin, suelen emplearse comnmente para producir una renovacin lenta del contenido de grandes depsitos de lquido por medio de aparatos mezcladores relativamente pequeos. Prcticamente en casi todos esos sistemas circulantes se agita cada vez solo una proporcin muy pequea del material y esto los hace inapropiados cuando se desea producir continuamente la intimidad de la mezcla. No resultan nunca tiles cuando es necesario obtener una mezcla rpida y completa. Pueden introducir en el elevador o la bomba, otros materiales, como gases, lquidos o lechadas para asegurar una absorcin o una mezcla preliminar antes de descargarlos en el deposito principal.INTERCAMBIADORES DE CALOR

Como su nombre lo implica, son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclas. Los Intercambiadores de calor se emplean en diversas industrias y presentan numerosos diseos.La forma ms comn de intercambiador de calor es la del intercambiador de calor de doble tubo (tambin de tubo y coraza), mostrado en la figura 7.0.1. Se compone de dos tuberas concntricas de diferentes dimetros. Un fluido circula por la tubera interior y el otro en el espacio anular entre las dos tuberas. El calor se transfiere del fluido caliente al fro mediante la pared que los separa. Algunas veces el tubo interior forma un par de vueltas dentro de la coraza para aumentar el rea de transferencia de calor y, por ello, la relacin de transferencia de calor. Las cmaras de mezcla son clasificadas como Intercambiadores de calor de contacto directo.El principio de la conservacin de la masa para un intercambiador de calor en operacin permanente requiere que la suma de las relaciones de flujo de masa entrantes sea igual a la suma de las relaciones de flujo de masa salientes. Otra expresin del mismo principio es: en operacin permanente, la relacin de flujo de masa de cada corriente de fluido que fluye por un intercambiador de calor permanece constante.Los Intercambiadores de calor no implican interacciones de trabajo (w=0) y sus cambios de energa potencial y cintica son despreciables. Para cada corriente de fluido. La relacin de transferencia de calor asociado con intercambiados de calor depende de cmo se elige el volumen de control. Los Intercambiadores de calor se destinan para la transferencia de calor entre dos fluidos dentro del dispositivo, y la coraza exterior suele estar bien aislada para evitar cualquier liberacin de calor en los alrededores.Cuando todo el intercambiador de calor se elige como el volumen de control, Q se vuelve cero porque la frontera se encuentra justo abajo del aislamiento y poco o nada de calor cruza (figura 7.0.2.). Sin embargo, si solo uno de los fluidos se elige como el volumen de control, entonces la frontera ser cruzada por el cundo fluya de un fluido al otro y Q no ser cero. De hecho, Q en este caso ser la relacin de transferencia de calor entre los dos fluidos. Intercambiadores de calor en procesos a baja temperaturaEs esencial en todo proceso a baja temperatura que los Intercambiadores de calor sean eficientes, puesto que para os resultados de su funcionamiento sean buenos, los gases que retornan de la regin a baja temperatura han de llevarse a una temperatura que se aproximen muy estrechamente a la del gas entrante. Mientras las instalaciones sean relativamente pequeas y las presiones relativamente elevadas para que la cada de presin no fuera muy crtico, no hubo dificultad para la construccin de Intercambiadores de calor compactos y eficientes del tipo de doble tubo o tubular (tubos y envolvente), los cuales resultaron satisfactorios; pero el advenimiento de grandes fbricas de oxigeno que utilizan bajas presiones del orden de 5 a 7 kg./cm2, exige nuevos tipos de Intercambiadores de calor que combinaron grandes superficies por unidad de volumen con una baja cada de presin. Regenerador de FranklEl regenerador de Frankl ha sido muy usado en las fbricas de oxgeno en Europa. Consiste en un deposito cilndrico relleno con discos metlicos tambin cilndricos que se hacen arrollando un espiral una tira corrugada de aluminio o cobre. La figura 7.1.1. Es un elemento en espiral. El rea superficial por unidad de volumen es de 1600 a 3300 m2/m3, la cada de presin es de pocas dcimas de kg. /cm 2 y son comunes temperaturas prximas en uno o dos grados centgrados a los del extremo caliente.En un proceso de separacin del aire se emplean do regenerador para cambiar calor entre el aire y el nitrgeno y otros dos para el aire y el oxgeno. Intercambiadores de inversinEn su forma ms simple consiste en dos pasos adyacentes con aletas por los cuales pasan a contra corriente aire y oxigeno o nitrgeno. Al final de un corto periodo de dos a tres minutos se invierten las circulaciones es decir, el aire circulara entonces por el paso que primeramente con tubo del gas puro separado y adems en sentido contrario. La accin de un intercambiador de inversin es recuperativa ms bien que regenerativa y la una razn para la inversin de las circulaciones es que el intercambiador acta como purificador del aire es necesaria para la inversin frecuente y regular para impedir la acumulacin de los slidos depositados. La extensin de la superficie conseguida por medio de las aletas se necesita no solo para obtener una gran superficie de transmisin por unidad de volumen, sino tambin para ayudar a retener las impurezas depositadas en forma de slidas.FLUJO EN DUCTOS Y TUBERASEl transporte de gases o lquidos en tuberas y ductos es de gran importancia en muchas aplicaciones en ingeniera. El flujo por una tubera o ducto casi siempre satisface las condiciones de flujo permanente.En los flujos en las tuberas o ductos la transferencia de calor es apreciable. Las velocidades involucradas en el flujo por tuberas o ductos son relativamente pequeas y los cambios en la energa cintica son casi siempre insignificantes. El cambio de la energa potencial es importante, ya que es posible que el fluido se someta a un cambio de elevacin considerable.

MQUINAS DE VAPOR MODERNAS

Mquina de vapor: figuras 1a-1d En una mquina de vapor, la vlvula de corredera o deslizamiento enva alternativamente el vapor a los dos extremos del cilindro para mover el pistn. A la derecha pueden verse algunos componentes de una mquina de vapor; las figuras 1a - 1d muestran el ciclo de funcionamiento de la mquina. El funcionamiento de una mquina de vapor moderna convencional se muestra en las figuras 1a-d, que muestran el ciclo de funcionamiento de una mquina de este tipo. En la figura 1a, cuando el pistn se encuentra en el extremo izquierdo del cilindro, el vapor de agua entra por el cabezal de la vlvula y a travs del orificio hacia la parte izquierda del cilindro. La posicin de la vlvula deslizante de corredera permite que el vapor ya utilizado en la parte derecha del pistn escape a travs del orificio de expulsin o conducto de salida. El movimiento del pistn acciona un volante, que a su vez mueve una biela que controla la vlvula deslizante. Las posiciones relativas del pistn y la vlvula son reguladas por las posiciones relativas de los puntos en que estn acoplados el cigeal y la biela de la vlvula de corredera al volante.

En la segunda posicin, que se muestra en la figura 1b, el vapor que se encuentra en la parte izquierda del cilindro se ha expandido y ha desplazado el pistn hacia el punto central del cilindro. Al mismo tiempo, la vlvula se ha movido a su posicin de cierre de forma que el cilindro queda estanco y no pueden escapar ni el vapor del cilindro ni el de la caja de vlvulas.

Segn se mueve el pistn hacia la derecha a causa de la presin del vapor en expansin, como se muestra en la figura 1c, la caja de vlvulas, que contiene vapor, se conecta al extremo derecho del cilindro. En esta posicin la mquina est preparada para iniciar el segundo tiempo del ciclo de doble accin. Por ltimo, en la cuarta posicin (figura 1d), la vlvula cubre de nuevo los orificios de ambos extremos del cilindro y el pistn se desplaza hacia la izquierda, empujado por la expansin del vapor en la parte derecha del cilindro.

El tipo de vlvula que aparece en la figura es la vlvula simple de deslizamiento, la base de la mayora de las vlvulas de deslizamiento utilizadas en las mquinas de vapor actuales. Este tipo de vlvulas tienen la ventaja de ser reversibles, o sea, que su posicin relativa al pistn se puede variar cambiando la porcin de la excntrica que las mueve, tal y como se muestra en la figura 2. Cuando se mueve la excntrica 180 grados, se puede invertir la direccin de rotacin de la mquina.

La vlvula de deslizamiento tiene no obstante un buen nmero de desventajas. Una de las ms importantes es la friccin, causada por la presin del vapor en la parte posterior de la vlvula. Para evitar el desgaste que causa esta presin, las vlvulas de las mquinas de vapor se suelen fabricar en forma de un cilindro que encierra el pistn, con lo que la presin es igual en toda la vlvula y se reduce la friccin. El desarrollo de este tipo de vlvula se atribuye al inventor y fabricante estadounidense George Henry Corliss. En otros tipos de vlvulas, su parte mvil est diseada de forma que el vapor no presione directamente la parte posterior.

La unin entre el pistn y la vlvula que suministra el vapor es muy importante, ya que influye en la potencia y la eficiencia de la mquina. Cambiando el momento del ciclo en que se admite vapor en el cilindro puede modificarse la magnitud de la compresin y la expansin, consiguindose as variar la potencia de salida de la mquina. Se han desarrollado varios tipos de mecanismos de distribucin que unen el pistn a la vlvula, y que no slo permiten invertir el ciclo sino tambin un cierto grado de control del tiempo de admisin y corte de entrada del vapor. Los mecanismos de distribucin por vlvulas son muy importantes en locomotoras de vapor, donde la potencia que se requiere de la mquina cambia con frecuencia. El esfuerzo alcanza su punto mximo cuando la locomotora est arrancando y es menor cuando circula a toda velocidad.

Un componente importante de todos los tipos de mquinas de vapor de vaivn es el volante accionado por el cigeal del pistn. El volante, una pieza por lo general pesada de metal fundido, convierte los distintos empujes del vapor del cilindro en un movimiento continuo, debido a su inercia. Esto permite obtener un flujo constante de potencia.

En las mquinas de vapor de un solo cilindro la mquina se puede detener cuando el pistn se encuentra en uno de los extremos del cilindro. Si el cilindro se encuentra en esta situacin, se dice que el motor est en punto muerto y no se puede arrancar. Para eliminar los puntos muertos, las mquinas cuentan con dos o ms cilindros acoplados, dispuestos de tal forma que la mquina puede arrancar con independencia de la posicin de los pistones. La manera ms simple de acoplar dos cilindros de una mquina es unir los dos cigeales con el volante de la forma que se muestra en la figura 3. Para conseguir un equilibrio mayor se puede utilizar una mquina de tres cilindros en la que las manivelas de los cilindros se colocan en ngulos de 120 grados. El acoplamiento de los cilindros no slo elimina las dificultades de arranque sino que permite disear plantas de generacin con un funcionamiento ms fiable.

Los cilindros de una mquina compuesta, al contrario que el de una de un solo cilindro, se pueden mantener prximos a una temperatura uniforme, lo que aumenta la eficiencia de la mquina.

Un avance en el diseo de las mquinas de vapor fue la mquina de flujo unidireccional, que utiliza el pistn como vlvula y en la que todas las partes del cilindro permanecen aproximadamente a la misma temperatura cuando la mquina est en funcionamiento. En estas mquinas el vapor se mueve solamente en una direccin mientras entra en el cilindro, se expande y abandona el cilindro. Este flujo unidireccional se consigue utilizando dos conjuntos de orificios de entrada en cada extremo del cilindro, junto con un nico conjunto de orificios de salida en la parte central de la pared del cilindro. La corriente de vapor que entra por los dos conjuntos de orificios de entrada se controla con vlvulas separadas. Las ventajas inherentes a este sistema son muy considerables por lo que este tipo de mquina se utiliza en grandes instalaciones, si bien su coste inicial es mucho mayor que el de las mquinas convencionales. Una virtud de la mquina de flujo unidireccional es que permite un uso eficiente del vapor a altas presiones dentro de un nico cilindro, en lugar de requerir un cilindro compuesto.

1. INTERCANBIADORES DE CALOR Y MEZCLADORES

a. Cmaras de mezcla

En aplicaciones de Ingeniera, mezcla de dos corrientes de fluidos es un hecho frecuente. La seccin donde sucede el proceso de mezclado es denominada cmara de mezcla. La cmara de mezcla no tiene que ser una cmara especial. Un ordinario codo en T o uno en Y en una regadera, sirve como cmara de mezcla para las corrientes de agua caliente y fra.El principio de la conservacin de masa en una cmara de mezcla requiere que la suma de las relaciones de flujo de masa entrante sea igual a la relacin de flujo de masa de la mezcla saliente.

Las cmaras de mezcla casi siempre estn bien aisladas y no implican ningn tipo de trabajo . Adems, las energas cintica y potencial de las corrientes de flujo suelen ser despreciables . En consecuencia, todo lo que queda en la ecuacin de la energa requiere que estas dos sean iguales entre s. Por tanto, para este caso la ecuacin de la conservacin de la energa es anloga a la ecuacin de la conservacin de la masa.

b. Intercambiador de calorComo su nombre lo implica, son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclarse. Los intercambiadores de calor se emplean en diversas industrias y presentan numerosos diseos.La forma ms simple de un intercambiador de calor es la del intercambiador de calor de doble tubo (tambin llamado de tubo de coraza).Se compone de dos tuberas concntricas de diferentes dimetros. Un fluido circula por la tubera interior y el otro en el espacio anular entre las dos tuberas. El calor se transfiere del fluido caliente al fro mediante la pared que los separa. Algunas veces el tubo interior forma un par de vueltas dentro de la coraza para aumentar el rea de transferencia de calor y, por ello la relacin de transferencia de calor. Las cmaras de mezcla son clasificadas como intercambiadores de calor contacto directo.El principio de conservacin de la masa para un intercambiador de calor en operacin permanente requiere que la suma de las relaciones de flujo de masa entrantes sea igual a la suma de las relaciones de flujo de la masa salientes. Otra expresin del mismo principio es: en operacin permanente, la relacin de flujo de masa de cada corriente de fluido que fluye por un intercambiador de calor permanece constante.

Los intercambiadores de calor no implican intercambiadores de trabajo y sus cambios de energa cintica y potencial son despreciables para cada corriente de fluido. La relacin de transferencia de calor asociada con intercambiadores de calor depende de cmo se elige el volumen de control. Los intercambiadores de calor se destinan para la transferencia de calor entre dos fluidos dentro del dispositivo, y la coraza exterior suele estar bien aislada para evitar cualquier liberacin de calor a los alrededores.

Cuando todo el intercambiador se elige como volumen de control, se vuelve cero porque la frontera se encuentra justo abajo del aislamiento y poco a poco nada de calor la cruza. Sin embargo, si solo uno de los fluidos se elige como el volumen de control, entonces la frontera ser cruzada por l cuando fluya de un fluido al otro y no ser cero. De hecho, en este caso ser la relacin de transferencia de calor entre los dos fluidos.

2. VALVULAS DE ESTRANGULAMIENTOSon cualquier tipo de dispositivo de restriccin de flujo que ocasione un descenso significativo en la presin del fluido. Algunos ejemplos son las vlvulas ajustables ordinarias, los tubos capilares y los obturadores porosos. A diferencia de las turbinas, producen una disminucin de presin sin implicar ningn trabajo. A menudo la reduccin de presin en el fluido se acompaa a menudo con un gran descenso en la temperatura, y por eso los dispositivos de estrangulamiento son usados en aplicaciones de refrigeracin y de acondicionamiento de aire. La magnitud de la disminucin de temperatura (o, en algunas veces el aumento de temperatura) durante un proceso de estrangulacin est regido por una propiedad llamada coeficiente Joule-Thomson.

Las vlvulas de estrangulamiento son dispositivos pequeos y puede suponerse que el flujo a travs de ellos ser adiabtico puesto que no hay tiempo suficiente ni rea lo bastante grande para que ocurra alguna transferencia de calor efectiva. Adems, no se efecta trabajo (w0) y el cambio en la energa potencial, si es que ocurre, es muy pequeo (ep0). Aun cuando la velocidad de salida es a menudo considerablemente ms alta que la velocidad de entrada, en muchos casos, el aumento de la energa cintica es insignificante (ec0). En ese caso la ecuacin de la conservacin de la energa para este dispositivo de una sola corriente y flujo permanente se reduce a:

Esto es, los valores de entalpa en la entrada y en la salida de un vlvula de estrangulamiento son los mismos, Por esta razn, una vlvula de estrangulamiento algunas veces recibe el nombre de dispositivo isentlpico.Para obtener cierta profundidad respecto de cmo el estrangulamiento afecta las propiedades del fluido, exprese la ecuacin (5.1) del modo siguiente.

De manera que el efecto final de un proceso de estrangulamiento depende de la cul de las dos cantidades aument durante el proceso. Si el flujo de energa aumenta durante el proceso , lo hace a expensas de la energa interna. Como resultado, la energa interna disminuye lo cual suele acompaarse por un descenso en la temperatura. Si disminuye el producto , la energa interna y la temperatura de un fluido aumentarn durante un proceso de estrangulamiento. En el caso de un gas ideal la temperatura, en consecuencia, tiene que permanecer constante durante un proceso de estrangulamiento.

CONCLUSIONES Cada tipo de maquina energtica es individual y personal a su modelo matemtico. Para construir una idea energtica primero creemos investigacin material e tecnolgica. Se logr diferenciar los equipos de uso intensivo de energa Se logr conocer cules son los equipos de uso intensivo de energa, as como sus caractersticas, funcionamiento y diseo. Siendo estos: el compresor, la turbina, la tobera, el difusor, la bomba y el cilindro neumtico Se logr identificar los modelos matemticos aplicados a cada tipo de equipo de uso intensivo de energa

BIBLIOGRAFA

http://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(calefacci%C3%B3n) http://termodinamica.us.es/termo/examenes/2001/sept/node3.html http://www.manizales.unal.edu.co/cursofisica/contenido/primertermo.

Llus Jutglar , (2005). Bombas, ventiladores y compresores. Ediciones CEAC, 247 pginas. ENGELS, Yunus. Termodinmica. Tomo 1. Segunda Edicin. Mc Graw Hill. 1996. VAN WYLEN, Gordon. Introduccin a la Termodinmica Clsica y Estadstica. Limusa Noriega Editores. Mxico, 1993. PERRY, John. Manual del Ingeniero Qumico. Tomo II. Unin Tipogrfica Editorial Hispanoamericana. Mxico. 1966. Universidad de Puerto Rico. Libro [en lnea]: de la biblioteca. Disponible enWeb:< http://www.me.uprm.edu/fpla/Primera_Ley.html> [Consulta: 2 de diciembre del 2013]

Faires S. Termodinmica. Mexico: Editorial Hispano Americana; 1983

Energy Technologies for the 21st Century, World Energy Council, London, 2001,

A.J. Birchenough and J.G. Hollins, Ongoing Innovation in Energy, Essential for Canada, Position Paper of the Energy Council of Canada, Ottawa, September 2002.

Energy for Tomorrows WorldActing Now, World Energy Council, London, 2000,

N. Nakicenovic, A. Grbler, and A. McDonald, Global Energy Perspectives, International Institute for Applied Systems Analysis and World Energy Council, Cambridge University Press, 1998.

Electricity Technology Roadmap, Electric Power Research Institute, Palo Alto, California, U.S., 2003