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Calderas de vapor parte 2 - Monografía



 
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Calderas Combinadas.



Las construidas con más frecuencia son las calderas de hogar interior y semitubular. En la parte inferior hay una caldera Cortnualles de dos o tres tubos hogares o una Galloway, combinada con una semi tubular que se sitúa más arriba. Ambas calderas tienen unidas sus cámaras de agua y de vapor, por tubos verticales.
Los hogares se encuentran en la caldera inferior. Los gases quemados se dirigen hacia adelante, suben y atraviesan los tubos de la caldera superior, rodean después a esta caldera por la parte exterior, bajan y rodean a la inferior, pasando finalmente a la chimenea.
El agua de alimentación se entrega a la caldera superior y una vez conseguido el nivel normal de ésta, rebalsa por el tubo vertical interior a la cámara de agua de la cámara inferior. Ambas calderas están provistas de tubos niveles propios. El vapor sube por el tubo vertical exterior, se junta con el que produce la caldera superior y del domo sale al consumo.

Calderas de Pequeño Volumen de Agua



Acuotubulares



Las calderas Acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo.
En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido.
La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura.
A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.

Tipos de calderas Acuotubulares (Tipos, Características, Producción)



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Un ejemplo de estas calderas es la caldera acuotubular STEINMÜLLER. Estas calderas mixtas o intermedias, tienen tubos adosados a cajas, inclinados sobre el hogar y un colector cilíndrico grande encima, llamado domo o cuerpo cilíndrico, en donde se produce la separación del agua y el vapor. Además el vapor que se obtiene puede ser húmedo o seco, haciéndolo pasar por un sobrecalentador.

La producción de vapor de estas calderas es de unos 1500 kg/hora cada una, a una presión de régimen de 13 atm. absolutas y 300 °C de temperatura. Desde su construcción estaban preparadas para quemar carbón, pero en el año 1957 el Prof. Lorenzo Lambruschini con la ayuda de sus alumnos, le incorporó sopladores y quemadores para combustibles líquidos.
En general los tubos son la parte principal de la caldera, y dos o tres accesorios llamados colectores, en donde se ubican las válvulas de seguridad, termómetros, tomas de vapor, entrada de agua, etc.
A lo largo de los últimos 50 años, el concepto sobre el que se basa el proyecto de los generadores de vapor, ha sufrido cambios fundamentales como consecuencia de las innumerables investigaciones que permitieron conocer los procesos de la combustión, transmisión del calor, circulación del agua y de la mezcla agua-vapor y del acondicionamiento del agua de alimentación.
Las calderas se construyen en una amplia variedad de tamaños, disposiciones, capacidades, presiones, y para aplicaciones muy variadas.
La caldera de la derecha tiene un hogar con dos entradas para ingreso del combustible sólido, con los tubos hervidores horizontales y domo frontal superior, con las válvulas de seguridad incorporadas. Es para una presión de unas 30 atm. y una temperatura de unos 400 ° C.

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En las calderas anteriores, la izquierda en cambio, es del tipo humotubular altamente reforzada, con tubos sobrecalentadores en los mismos conductos de humo, preparada para combustible líquido o gaseoso, y aplicaciones navales

Otros tipos de caderas Acuotubulares.



Las calderas de vapor verticales acuotubulares marca OLMAR, están formadas por un tubo de gran diámetro en su interior al que se acoplan una serie de colectores por los que circula el agua.
Este tipo de calderas permiten una muy fácil accesibilidad a su interior y están especialmente diseñadas para pequeñas industrias tales como tintorerías, lavanderías, lácteos, panaderías.
Las calderas verticales OLMAR, se construyen con producciones que varían desde la obtención de 70 Kg/h hasta 1.200 Kg/h y a unas presiones comprendidas entre 2 y 14 Kg/cm2. Se utilizan distintos tipos de combustibles, pero no solo los líquidos, sino que las calderas verticales OLMAR, 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.

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Ventajas:



- La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 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.
- Son utilizados quemadores ecológicos para combustóleo, gas y diesel.
- Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-combustible a presión.
- 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 de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.

Caldera Babcock-Wilcox.



Compuesta de uno hasta tres colectores superiores de agua y vapor, unidos al haz de tubos rectos inclinados por ambos extremos y el colector inferior de impurezas.
El hogar es generalmente de parrilla mecánica, utiliza como combustible hulla menuda, la cual es depositada en la tolva avanzando al interior del hogar.
Una vez penetrado al hogar, se destila quemándose los gases con llama larga; el coke que resulta se sigue quemando, hasta quedar solo ceniza y escoria. Los gases calientan primeramente la parte superior del haz tubular, el recalentador del vapor, para continuar según las flechas hasta dirigirse a la chimenea.
El agua se inyecta a la cámara de agua del colector superior, bajando e iniciando así su calentamiento, poniéndose en contacto con la parte menos caliente de los tubos de agua. Se junta con el vapor que allí se forma y circulan activamente, favorecidos por la inclinación de los tubos. El vapor se recibe por válvulas colocadas en la parte más alta y se recalienta en su paso por el recalentador al encender la caldera y para impedir que se fundan los tubos secos del recalentador, se inunda, abriendo la llave de vapor y la de agua, posteriormente se cierra esa llave y se elimina el agua por la llave inferior.

Calderas Stirling.



Constan de tres colectores superiores dispuestos paralelamente entre sí, con sus cámaras de vapor interconectadas por tubos de acero. Las cámaras de agua de los dos primeros colectores están comunicadas. Los colectores superiores están conectados al inferior mediante tres haces de tubos delgados, expuestos al calor del hogar y de los gases producto de la combustión.
Consumen hulla u otro combustible sólido, como también líquidos o gaseosos. Los gases siguen el recorrido de las flechas calentando sucesivamente los haces tubulares, pasando finalmente a la chimenea.
El agua es inyectada al último de los tres colectores superiores, descendiendo por el haz menos calentado, para luego ascender por los dos anteriores, junto con el vapor que se produce en ellos. El vapor es obtenido del colector central superior, colocado a mayor altura que los otros dos, pudiendo ser enviado al recalentador que se monta sobre el primer haz de tubos. Se pueden obtener más de 80.000 Kg. de vapor por hora en esta caldera.

Caldera Borsig.



Compuesta de un colector superior de agua y vapor, unido al inferior de agua e impurezas por un haz de tubos verticales curvados en sus extremos, de tal manera que penetren radialmente en las paredes de los colectores, para facilitar su expandidura. En un extremo superior se encuentra el recalentador de vapor.

Tiene dos clases de tubos:



- De descenso del agua (90-12 mm. diámetro).
- De vaporización (53,5-60 mm. diámetro).

El agua de alimentación es inyectada en forma directa a los tubos de descenso, que están provistos de un embudo, mientras que el otro embudo donde terminan esos tubos por su parte inferior, permite la precipitación de los sedimentos sobre el fondo del hervidor superior.
El agua más caliente sube por los tubos de vaporización al colector superior, de donde se extrae el vapor. Sobre los tubos de descenso va un mamparo refractario, para guiar los gases producto de la combustión.

Caldera Yarrow y Thorny croft.



Empleadas principalmente en buques de vapor. Compuestas ambas de un colector superior y de dos inferiores, unidos por dos haces de tubos. La caldera Yarrow tiene los colectores inferiores achatados para así facilitar la expandidura de los tubos. La Thornycroft tiene tubos curvos, que entran radialmente a los colectores, aumentando también su longitud y superficie y superficie de calefacción de la caldera.
Pueden quemar hulla o petróleo, en su amplio hogar, donde es quemada toda la materia volátil. Los gases suben calentando los tubos y recalentadores, que se ubican sobre ellos.
Es común encontrar dentro de este tipo las llamadas calderas verticales.

Con tubos de Humo y de Agua.



Están compuestas de un cilindro mayor con un hogar cilíndrico y tubos de humo, de agua o de ambos a la vez. El hogar es interior y queda rodeado de una parte de la cámara de agua. Los gases ascienden verticalmente a lo largo de los tubos de humo o rodean los tubos de agua, entregándoles la mayor parte de su calor. Son montados sobre una base de concreto y ladrillos refractarios. Son empleados en la pequeña industria.
Padecen en general de algunos defectos, tales como:

- Rendimiento bajo por combustión deficiente y escape caliente de humos.
- Destrucción rápida de los tubos al nivel del agua por el recalentamiento de ellos.
- Son peligrosas en caso de explosión.

Como cualidades positivas presentan:



- Son de fácil construcción.
- Ocupan reducido espacio y son fáciles de ubicar.

Pirotubulares.



La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características.
El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor.
La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos.
El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos.
El conjunto completo, calorífugado y con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante y bancada de sólida y firme construcción suministrándose como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones a instalación.
La caldera, una vez realizadas las pruebas y comprobaciones reglamentarias y legales por una Entidad Colaboradora de la Administración, se entrega adjuntando un “Expediente de Control de Calidad” que contiene todos los certificados y resultados obtenidos.

Tipos de calderas Pirotubulares (Tipos, Características, Producción)



Calderas horizontales



Las calderas de vapor Pirotubulares OLMAR, se fabrican con producciones comprendidas entre un mínimo de 200 Kg/h y un máximo de 17.000 Kg/h y con presiones que pueden oscilar desde 8 Kg/cm2 hasta 24 Kg/cm2.

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Cada unidad pasa por estrictos controles durante el proceso de fabricación. Los resultados de estos controles, a los que se suman los que realizan nuestros proveedores en su propio material, conforman un Expediente de Control de Calidad. De esta forma se cumple lo indicado en el Código de Construcción, así como en todas las normas oficiales en vigor, tanto nacionales como de la Unión Europea.
Los procesos de soldadura están homologados y los operarios cualificados, siendo las soldaduras radiografiadas según las exigencias del Código de Diseño empleado.
A diferencia de otras calderas, cuya parte trasera solo es asequible por el interior del hogar, la caldera de vapor OLMAR dispone en la parte de atrás de una puerta abisagrada y de apertura total que deja al descubierto todo el interior. La facilidad de manipulación y la total accesibilidad, permiten al operario realizar las tareas de limpieza y mantenimiento desde el exterior y lo que es muy importante, incluso inmediatamente después de haber detenido el quemador.
Obsérvense otras dos características técnicas de suma importancia, la cámara tornafuego refrigerada por agua en su interior y la ondulación del tubo hogar.
Como puede apreciarse el conjunto configura un sistema de tres pases de gases antes de la salida de estos por la chimenea, lo que permite la obtención de altos rendimientos térmicos que garantizan un 89 +/- 2%.
Igual atención que el proceso de fabricación, nos merece el mantenimiento de las máquinas, para lo cual la empresa dispone de técnicos especialmente formados pudiendo así garantizar un servicio de asistencia rápido y profesional.

Capacidad Calorífica



La combustión es el conjunto de combinaciones químicas que se producen en ciertas condiciones, desprendiendo calor, cuando se ponen en contacto un combustible y un comburente.

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Conocimientos para la Selección de una Caldera



Lo primero es tomar en cuenta a que tipos de trabajo será sometida la caldera. Luego debemos tener el conocimiento de las cualidades que debe tener para ser empleadas en las diversas funciones.

Entre los diversos datos debemos conocer:

- La Potencia de la Caldera
- El Voltaje que esta Requiere
- El Tipo de Combustible que esta Necesita para Trabajar
- La Demanda de Vapor que se Requiere, etc.

Podemos decir que en realidad existen varios factores importantes al momento de elegir una caldera, tales como:

- Capacidad de Consumo de la Empresa
- Capacidad de la Caldera
- Capacidad de Turbina / Generador

Debemos seguir además de estos conocimientos cierto procedimiento:

A) Determinación De la Potencia Térmica Real Necesaria En Cada Instalación Y Seleccionar Una Caldera Que No Exceda De La Potencia Calculada



La tendencia habitual a la hora de diseñar y calcular una central térmica es sobredimensionar los generadores, para absorber cualquier error de cálculo y garantizar la potencia instantánea necesaria en los momentos de máxima demanda. Aqui entra el famoso 10% de inercia (según unos) o de intermitencia de servicio (según otros), que se añade a la potencia calculada, por poner un ejemplo generalizado, ya que existen otros incrementos “gratuitos’ a gusto de cada proyectista o instalador.

Los efectos negativos que conlleva a instalación de generadores sobredimensionados, son múltiples, pero no es momento de relacionarlos todos, nos centrará en los que afectan al consumo, o mejor dicho, al rendimiento estacional.

La práctica totalidad de las instalaciones de potencias medias y altas, así como buena parte de las de pequeñas potencia, utilizan generadores presurizados o semigresurirados (las definiciones a gusto de cada uno), a los que se acoplan quemadores mecánicos con soplante. Esto es así refiriéndonos a combustibles gaseosos, ya que existen calderas dotadas de quemadores atmosf6ricos, utilizadas generalmente para potencias pequeñas. En el caso de combustibles líquidos, no haremos distinciones entre potencias, porque todos los generadores incorporan quemadores con soplante, por la necesidad de la pulverizaci6n del combustible por presi6n.

Refiriéndonos a este tipo de generadores compuestos por caldera y quemador con soplante, deberemos tener en consideración la obligatoriedad de efectuar un prebarrido de la cámara de combustión, consistente en la introducción de aire a temperatura ambiente de la central térmicas (salvo excepciones puntuales), durante un período de tiempo variable y directamente proporcional a la potencia del generador, en el interior del hogar de la caldera.

Pues bien, parece que nadie se ha detenido a considerar las pérdidas de calor que supone a introducción de aire a una temperatura de 20o C durante un minuto (por ejemplo), en una caldera con una temperatura media de agua de 70 o C. En si, un prebarrido seria insignificante pero a mayor número de prebarridos, el efecto de cada uno se suma, consiguiéndose determinar con exactitud el valor de las pérdidas totales, por indeterminación de la integración en el tiempo de las pérdidas instantánea.

La determinación de las pérdidas instantáneas o pérdidas por cada prebarrido, se podrían calcular como producto entre el calor especifico del aire, el caudal de aire introducido y el salto térmico entre la entrada y salida por el conducto de humos del mismo. Esto que parece tan sencillo, supone un problema, ya que disponemos de dos constantes y dos variables, una de ellas de difícil determinación a priori, ya que la temperatura de salida del aire de la caldera, será directamente proporcional a la temperatura del hogar y a las características constructivas del mismo (superficie de contacto). Aún así, se podría determinar una temperatura media que nos diera un valor aproximado pérdidas en cada prebarrido, por cada tipo de generador, en función de la temperatura ambiente de la central térmica.

Ahora viene la segunda parte, la integración. Para determinarlas pérdidas totales en un periodo de un día (por ejemplo) sería necesario conocer el número de prebarridos que un generador realiza en dicho espacio de tiempo y eso es imposible de determinar, ya que las instalaciones de calefacción están sujetas en su funcionamiento a las evoluciones de a temperatura ambiente exterior, por lo que variará el número de prebarridos, con las condiciones de funcionamiento de la instalación, en función de la demanda instantánea, que a su vez se rige por la diferencia entre la temperatura ambiente interior consignada y la temperatura exterior.

b) Selección del quemador mas apropiado para la caldera elegida



Siguiendo en la línea anterior, una vez elegido un generador de potencia ajustada a las necesidades reales de la instalación, deberemos considerar otros aspectos tendentes a la reducción de prebarridos, ahora imputables al quemador seleccionado.

Es práctica generalizada en los fabricantes de quemadores y calderas, recomendar quemadores de potencias superiores a lo necesario para cada caldera, ya que un quemador permite regular su potencia, dentro de los márgenes de sus curvas de trabajo, en unos rangos enormes.
Pero esto no es ninguna novedad. El problema empieza cuando pretendemos reducir la potencia instantánea cedida por el quemador a la caldera, una vez se va alcanzando la temperatura de consigna deseada. Veamos un ejemplo.

Acoplamos a una caldera de 1,000 KW un quemador de dos etapas, apto para potencias entre 750 y 1,250 KW. En la puesta en marcha, se regula en quemador en un rango de potencia entre 1,000 KW y el mínimo posible 750 KW, por lo que una vez en funcionamiento, cuando nos acerquemos a la temperatura de consigna de impulsión da caldera y eliminemos la 21 etapa, el quemador quedará al 75 de su potencia, por lo que inmediatamente alcanzaremos la temperatura de consigna, siendo necesaria su parada.

Estamos ante un caso bastante habitual en el que un quemador de dos etapas es en realizada un todo / nada, con las terribles consecuencias que esto supone para el rendimiento estacional, por el número de prebarridos que provoca.

Esto mismo es de aplicación en el caso de quemadores modulantes, ya que el umbral de potencia mínima no suele bajar de entre el 35 y el 40% de la potencia total (salvo quemadores especiales).

Esto aplicado al ejemplo anterior supondría que el rango de modulación se establecería entre 1,000 y 500 KW, por lo que para temperatura exteriores superiores a 90 C (por ejemplo), el quemador estaría arrancando y parando, sin posibilidad de modulación. Volvemos a tener un quemador todo / nada durante buena parte de sus horas de funcionamiento.

Pese a ello recomendamos encarecidamente la instalación de quemadores modulantes siempre, sea cual sea la potencia del generador, ya que las posibilidades de regulación y estabilidad de funcionamiento son mayores.

- Ejemplo



Para producir 40 Mw. se necesitan 400000 lbs/h de vapor, significa que para cada 1 Mw., se necesita una generación de 100000 lbs/h de vapor.

Unidad de Potencia de las Calderas



Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie / minuto o sea 550 libras-pie/seg., valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo.
La historia dice que Watt estaba trabajando con fuertes caballos cargando carbón, y quería tener una forma de hablar del poder de que disponía uno de esos caballos. Encontró que, en promedio un caballo pudo hacer 22000 pies-libra de trabajo en un minuto. Por alguna razón desconocida, multiplicó ese número por 50 % y colocó la medida del caballo de fuerza a 33000 pies-libra de trabajo en un minuto. Es extraño, esta unidad arbitraria de medida ha cruzado los siglos y ahora aparece en su auto, su podadora, su sierra eléctrica y en algunos casos en su aspiradora.

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Lo que un caballo de fuerza significa es esto: a juicio de Watt, un caballo en la mina de carbón puede hacer 33000 pies-libra de trabajo cada minuto. Así que imagine un caballo cargando carbón tal como se muestra arriba. Un Caballo ejerciendo un caballo de fuerza puede levantar 330 libras de carbón a 100 pies en un minuto, o 33 libras de carbón a 1000 pies en un minuto, o 1000 libras a 33 pies en un minuto, etc. Usted puede escoger cualquier combinación de pies y pulgadas que desee -suficiente para que el producto sea 33000 en un minuto y se tenga un caballo de fuerza.
El caballo de fuerza puede ser convertido a otras unidades. Por ejemplo, un caballo de fuerza es equivalente a 746 watts o 2545 BTU’s (Unidades Térmias Británicas) por hora. así que si usted toma un caballo de fuerza y lo utiliza en una rueda de molino, puede operar un generador produciendo continuamente 746 Watts. Si toma esos 746 Watts y lo coloca en un calentador eléctrico, producirá 2542 BTU’s en una hora (donde un BTU es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua un grado F). Un BTU es igual a 1055 joules, o 252 gramos-caloría, o 0.252 calorías alimenticias. Probablemente el caballo quemaría 641 calorías en una hora haciendo su trabajo si hubiera eficiencia del 100%.

Temperatura y Presión para Vapor Saturado



La mayoría de las calderas operan en ciclo combinado de contrapresión, y que consta de una turbina de gas Centrax KB5 de 3,7 MW (ampliable a 4,25 MW), una turbina de vapor de 1,6 MW y una caldera de recuperación con quemador de post-combustión de 8,5 MW, de 20 T/h de capacidad (16 T/h de vapor recalentado de 41 bar (a) y 400 ºC, y 4 T/h de vapor saturado).

Diferencia entre Vapor Saturado y Sobrecalentado



Zona de vapor sobrecalentado:



En esta zona se separan las isóbaras de las isotérmicas. Además de la información obvia que se extrae directamente del diagrama (Entalpía y Entropía en un punto), se puede además obtener información adicional. En efecto se puede:

- Calor específico a presión constante: En la zona de vapor sobrecalentado la pendiente de la isobara está relacionada con Cp, en efecto Cp = dQ/dT ; por lo tanto si uno supone un calentamiento isobárico se tiene que dQ = dH o bien ??Q = ??H para un valor de ??T razonable (por ejemplo 5 a 10ºC).

- Calor específico a volumen constante: Si en el diagrama de Mollier aparecen las isócoras (líneas de volumen específico constante) también es posible obtener los valores de Cv en diferentes partes de la zona de vapor sobrecalentado usando un método análogo al anterior.

Diagrama de Clapeyron:



En este ejemplo (compresión de 1 a 2), el trabajo de compresión será el área V1-1-2-V2 si no hay trasvasijamiento y el área p1-1-2-p2 en el caso con trasvasijamiento. En ambos casos está el supuesto de compresión sin roce.
En el caso de un sistema con cambio de fase la representación p-V es un poco más compleja. Esta la podemos ver ilustrada en la siguiente figura.
La curva de cambio de fase está en negro. Se define una campana celeste que es la zona donde se produce el cambio de fase. A la izquierda (en azul) está la zona de líquido saturado y a la derecha la zona de vapor sobrecalentado (color damasco). Las líneas que aparecen son isotermas. De ellas destaca la isoterma crítica. Cuando el vapor de agua está sobre esa temperatura crítica (K), por mucho que se comprima el vapor, este no condensa. Esto define la zona amarilla de Gas.
También se debe tener claro que en la fase líquida, las isotermas son casi verticales. Esto se debe a que el agua es fluido casi incompresible.

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En rigor la ecuación de estado de un fluido es una superficie entre sus variables principales. En un diagrama p-V la ecuación de estado de un gas perfecto se puede representar por una sucesión de hipérbolas pV = Cte, que corresponden a isotermas.

Masa de Agua a Vapor



Se denomina cambios de fase a variaciones bruscas en alguna propiedad de un material que ocurran a una temperatura bien definida. El ejemplo más usual de cambios de fase es el paso de un material entre sus estados sólido, líquido y gaseoso. Otros ejemplos de cambios de fase son el paso de una estructura cristalina a otra en hielo a distintas presiones, la propiedad magnética adquirida o perdida por algunos materiales a ciertas temperaturas, y la pérdida de la resistencia eléctrica a muy bajas temperaturas (superconductividad) en el caso de algunos materiales.
Para el caso de los cambios de estado sólido, líquido y gaseoso en un material, la temperatura a que ocurre el cambio depende de la presión a que esté sometido el material. Por ejemplo, el agua pasa de estado líquido a gaseoso (hierve) a más de 100ºC si la presión es mayor que la atmosférica, y a menos de esa temperatura si la presión es menor que la atmosférica. Tal vez sorprenda enterarse que en las chimeneas submarinas (”hydrothermal vents”, es su nombre en inglés) la mezcla agua líquida / vapor de agua emana a más de 300ºC (¡Celsius, no Kelvin!). Pero la temperatura del agua que sale no es sorprendente si se razona que a algunos kilómetros de profundidad la presión del agua es del orden de varios cientos de atmósferas, así que el agua hierve a temperaturas bastante por arriba de 100ºC. (Quienes se interesen por este tema pueden encontrar más información aquí. En esa misma página se puede encontrar un video, grabado obviamente en el fondo del océano, que muestra una chimenea submarina. El video -eso si -requiere el software Quick Time, el cual también habría que bajar de la red. Mejor verlo en las horas de consulta de los profesores del curso).
Usualmente se llama “fusión” al paso de un material de fase sólida a líquida (y “solidificación” al paso contrario), y “vaporización” al paso de fase líquida a la gaseosa (y “licuación” al paso contrario). A presiones relativamente bajas es posible pasar directamente un cuerpo de fase sólida a la gaseosa, sin pasar por la fase líquida. Este proceso es llamado “sublimación”.

ECUACION DE ESTADO DE LOS GASES IDEALES

PV = nRT

Donde n = número de moles.
Si la presión ( P ) se mide en atmósferas [ atm ] , el volumen ( V ) se mide en
litros [ l ] y la temperatura absoluta ( T ) en grados Kelvin [ oK ] , entonces la
constante universal de los gases ideales ( R ) es igual a:

R = 0,082 [ atm ? l / mol ??oK ]

Ya hemos visto que el volumen de un gas depende de la temperatura y la presión a la que se encuentra, de forma que al aumentar la temperatura aumentará su volumen (ley de Charles y Gay-Lussac) y al aumentar la presión el volumen disminuirá (ley de Boyle-Mariotte). Está claro que también dependerá de la cantidad de gas que tengamos: si aumentamos la cantidad de gas, debe aumentar su volumen

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Pero la cantidad de gas que influye no es su masa, sino las moléculas de gas presentes: el número de moles: un mol de gas a 0 ºC y una atmósfera de presión ocupa siempre 22′4 litros, dos moles 44′8 litros etc. Por la ley de los gases sabemos que:

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Si tenemos un mol de gas a 0 ºC (273 K) y 1 atmósfera de presión, ocupa siempre 22′4 l, por lo que sustituyendo en la ecuación anterior nos queda:

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Ejemplo 1

¿Qué volumen ocuparán 3 moles de gas a 300 K y 2 atm de presión?

Sustituyendo en la ecuación de los gases ideales  , quedará la ecuación: 2*V = 3*0′082*300, ya que R vale 0′082. Multiplicando en el segundo miembro de la igualdad quedará 2*V = 73′8, y pasando el 2 dividiendo: V = 31′9 litros.

Ejemplo 2

¿Cuántos moles de gas serán necesarios para que a 27 ºC y 2 atm ocupen un volumen de 22′4 litros.
En primer lugar habremos de pasar la temperatura a Kelvin, sumando 273: T=27+273=300 K. Podemos ya sustituir en la ecuación de los gases ideales: 22′4*2=n*0′082*300. Multiplicando en ambos miembros quedará 44′8=24′6*n, y pasando 24′6 dividiendo, n=1′82 moles.

Importancia del Vapor



Se puede decir que la máquina alternativa de vapor representa el tipo de máquina térmica más antigua, dado que
sus primeros antecedentes datan de los primeros años del 1700. A pesar de su antigüedad, ésta máquina constituye el
antecedente de aquellas usadas hoy en día como turbinas de vapor en las centrales termoeléctricas convencionales.
Las centrales termoeléctricas modernas están constituidas por módulos en “bloques”, cada uno de los cuales consiste de:

Un generador de vapor;

Un grupo turbo-generador;

Un transformador elevador.

La central completa contiene un conjunto de instalaciones, que a grandes rasgos, incluye:

Zona de manejo de combustibles;

Generador de vapor;

Turbina y condensador;

Circuitos diversos para la recuperación del calor, de los gases de combustión

Conclusión



El desarrollo de la termodinámica tiene un origen empírico como muchas de las partes de la tecnología.
Una de las curiosidades en la aplicación temprana de efectos del vapor en la etapa que dimos en llamar empírica y que a lo largo de su desarrollo cambiara su origen en varias hipótesis, flogisto, calórico y finalmente energía.
Con Watt se logra el perfeccionamiento en la tecnología, se comprenden los principios básicos de la misma y se aíslan las variables que intervienen en el funcionamiento de la máquina, la introducción de la unidad para medir la potencia conduce al manejo de criterios de comparación.
Después de Watt comienza el desarrollo de las máquinas móviles con las realizaciones de Robert Fulton y George Stephenson.
También es importante marcar como las teorías de Carnot tienen aún validez en su forma original a pesar de haber estado fundamentadas en una hipótesis errónea, la del calórico. Carnot introduce tres conceptos fundamentales:
El concepto de ciclo o máquina cíclica.
La relación entre la “caída del calor de una fuente caliente a otra mas fría y su relación con el trabajo.
El concepto de máquina reversible de rendimiento máximo.
Gracias a Clausius y Kelvin se convierte a la termodinámica en una ciencia independiente de alto contenido teórico y matemático, lo que logra entender los fenómenos que se desarrollaban y fundamentar progresos tecnológicos.

Bibliografía de referencia



Motores térmicos e hidráulicos    Rosich    Ergon
Termodinámica Técnica    Estrada    Editorial Alsina.
Maquinas Térmicas    Sandfort    Eudeba
Internet

Autor:

Mr_qu|ll0





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