Calderas y turbinas: Descripción, principios de funcionamiento, componentes y fluidos involucrados

INTRODUCCIÓN

Las máquinas térmicas son equipos que utilizan los principios de la termodinámica para su funcionamiento, transferencia de calor, trabajo y cambio de estado. El objetivo de este trabajo es poder conocer los diferentes tipos de equipos industriales que utilizan este principio, conocer su aplicación, sus partes y su principio de funcionamiento.

1. CALDERAS Y SUS EQUIPOS AUXILIARES

1.1 Descripción y principio de funcionamiento.

Las calderas máquinas térmicas diseñadas para la generación y transmisión de calor, estos equipos están construidos para producir vapor a una presión y temperatura elevadas, Dicho vapor se generan a través del intercambio de calor producido por un combustible sólido, liquido o gaseoso, que calienta el fluido contenido en el equipo y cambia de fase, produciendo así el vapor.

Sin embargo de acuerdo al fluido calefactor de la caldera, éstas están clasificadas así:

Calderas de agua caliente: El fluido es agua, el cual no cambia de fase y permanece a una temperatura de 110°C.

Calderas de agua sobrecalentada: El fluido es agua, tampoco hay cambio de fase y la temperatura puede llegar hasta 200°C

Calderas de vapor: El fluido también es agua, pero en estas se produce cambio de fase saliendo de la caldera vapor en determinadas condiciones de temperatura y presión.

A su vez de acuerdo con el fluido a calentar las se suelen clasificar en dos grupos, de acuerdo al fluido que pasa a través de los tubos de intercambio, los cuales son los siguientes:

a) Calderas acuotubulares: En estas calderas el fluido de trabajo se desplaza por el interior de los tubos y los gases de combustión circulan por el exterior de los mismos.

b) Calderas pirotubulares: En estas calderas los gases de combustión circulan por el interior de los tubos y el fluido se encuentra atravesado por dichos tubos.

1.2 Fluidos que intervienen en su funcionamiento

Acorde con la descripción de las calderas y su principio de funcionamiento podemos observar que los fluidos que intervienen son los siguientes:

Agua, vapor de agua, gases de combustión, combustible, aire

1.3 Componentes principales:

Las calderas están construidas por las siguientes partes:

1. Quemador: El cuál es el encargado de la combustión del combustible utilizado y produce el calor necesario para que el fluido se caliente. Generalmente el fluido utilizado en las calderas es agua, el cual pasa a fase de vapor.

2. Cámara de agua o cuerpo del intercambiador: Este es el lugar en el cual esta almacenada el agua de la caldera.

3. Tubos de intercambio de calor: Son por los cuales circula el agua y los gases a través de su superficie

4. Separador liquido-vapor: Este separador es en el cual se separa el vapor de agua del agua líquida

5. Chimenea: Es la vida de escape de los gases de combustión

6. Carcasa: Es el lugar donde se encuentra la cámara de agua, el quemador y el sistema de tubos de intercambio

1.4 Esquema general

Fig.1 Caldera simple

2 TURBINAS Y SUS EQUIPOS AUXILIARES

2.1 Descripción y principio de funcionamiento.

Las turbinas son máquinas por las cuales pasa un fluido de forma continua y transfiere potencia del fluido al eje. Este equipo es un motor que produce energía mecánica, el cual cuenta con un rotor que tiene paletas, palas, hélices o cuchillas, a través de estos el fluido pasa de manera rotatoria o circular, generando así una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Por lo cual, la turbina aprovecha la presión del fluido para que esta genere el movimiento del rotor. Las turbinas se clasifican generalmente como turbinas de impulso y turbinas de reacción

a) Turbinas de impulso o acción: son aquellas turbinas en las cuales el fluido mueve el rotor exclusivamente con energía cinética, en ellas la presión a la entrada y a la salida de las paletas o hélices es igual a la atmosférica.

b) Turbinas de reacción: son aquellas turbinas que usan la energía cinética y la presión para mover el rotor. En este tipo de turbinas la presión de entrada es significativamente mayor a la presión de salida

2.1 Fluidos que intervienen en su funcionamiento: De acuerdo al tipo de turbina que se utilice en estas pueden intervenir fluidos como: agua, vapor, aire, gases

2.2 Componentes principales:

Las turbinas están compuestas por las siguientes partes:

1. El rotor: Es la parte que transforma la energía del fluido en energía mecánica. El rotor está compuesto por ruedas que están unidas al eje y son la parte móvil de la turbina.

2. Carcasa: Es la parte que protege y aisla la turbina, estas generalmente están divididas en dos partes, una desmontable para acceso al rotor y la otra unida a la bancada y a la parte superior, estas carcazas son frecuentemente fabricadas en hierro, acero o aleaciones de acuerdo a la temperatura de trabajo y presión de la turbina.

3. Alabes: Los alabes son también conocidos como aspas o palas , estos se colocan en ranuras alrededor de las carcasa y el rotor. Estos pueden ser fijos o móviles y se aseguran por grupos o de forma individual.

4. Válvula de regulación: está válvula es la encargada de regular el caudal de entrada a la turbina,

5. Sistema de lubricación: Es la parte que proporciona el lubricante, este sistema es muy importante ya que debe estar activo en todo momento y su circulación debe ser continua con el trabajo de la turbina.

6. Cojinete de empuje: Es el que impide el desplazamiento del rotor en la misma dirección que el eje

2.3 Esquema general

Fig. 2 Turbina a vapor. Solidda energía

3.COMPRESORES Y TURBOCOMPRESORES

3.1 Descripción y principio de funcionamiento.

Los compresores son aquellos que transfieren energía desde una fuente al fluido. Estos han sido construidos para aumentar la presión de un fluido y desplazarlo, los fluidos utilizados por los compresores son únicamente los fluidos de tipo compresible como los gases y los vapores.

El proceso de compresión se desarrolla por el intercambio de energía que ocurre entre la máquina y el fluido, el trabajo que ejerce esta máquina es transferido al fluido, lo que la convierte en energía de flujo y por lo cual su presión y energía cinética aumentan.

En general existen varios tipos de compresores entre ellos están los siguientes:

Compresores de émbolo: En este tipo de compresores encontramos un que hay un eje que impulsado por un motor el cual tiene como función subir y bajar el émbolo dentro de la cámara del compresor, cuando el émbolo se desplaza hacia arriba el aire se comprime y pasa a una válvula la cual tiene como función la salida del aire comprimido, este aire puede pasar a otro equipo de acuerdo a la aplicación para la que se necesite.

Compresores rotativos: Estos compresores tienen un rotor con varias paletas que giran de manera continua alrededor del rotor, al girar estas aletas presionan las paredes de la cámara de compresión por la fuerza centrífuga lo cual hace que el aire se vaya comprimiendo.

Compresores de tornillo: Es tipo de compresores está conformado por dos tornillos que son accionados por un motor de manera continua, los cuales comprimen el aire en la cámara del compresor y lo expulsan hasta la salida.

Turbocompresores:

Los turbocompresores son aquellos compuestos por un compresor y una turbina unidos entre sí, por medio de un eje. El aire circula a través de la turbina en la cual la energía cinética se convierte en energía elástica de compresión. En el turbocompresor el fluido pasa a través del compresor el cual viene con una mayor presión, esta fuerza es aprovechada para impulsarlos a la turbina.

3.2 Fluidos que intervienen en su funcionamiento:

Aire atmosférico o vapor o gas, aire, vapor o gas comprimido.

3.3 Componentes principales:

Los compresores están compuestos por las siguientes partes:

1. Motor: Este es el encargado de producir el movimiento giratorio que se transmite al compresor a través de un eje

2. Compresor: Es el lugar donde se produce la compresión del fluido

3. Válvulas: Los compresores deben tener válvulas para el control de la presión del fluido, generalmente estas se encuentran entre el motor y el depósito y otra entre el depósito y la salida.

3.4 Esquema general

Fig.3 Compresor. Los compresores

Fig.4 Turbocompresor. Motores sobrealimentados

4. BOMBAS DE PISTÓN A VAPOR

4.1 Descripción y principio de funcionamiento.

Las bombas de pistón son aquellas que transportan el fluido a través de un pistón. Estas bombas se conocen como

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