OPERACIÓN SEGURA DE CALDERAS Y GENERADORES DE VAPORMÓDULO 1Teoría de la generación del vapor, conceptos termodinámicos y unidades.

Indice

TEMA 1. Teoría de la Generación de Vapor.- Nociones Generales sobre el Vapor de Agua- Proceso de Vaporización- Factores de influyen en el Punto de Ebullición de un Líquido- Composición y Clasificación del Vapor de Agua- Clasificación del Vapor de Agua

TEMA 2. Conceptos Termodinámicos y Unidades.- Energía- Calor- Unidades de Calor

Indice

- Diagrama de Fases de Agua- Tipos de Calor- Cambios de estados de Agua a Presión Constante- Calor Total de Vaporización- Tablas Termodinámicas Vapor de Agua- Equivalencia Mecánica del Calor- Rendimiento Eléctrico de la Autoclave- Formas de Transmisión del Calor- Temperaturas- Escalas Termométricas- Presión- Unidades y Equivalencias

Tema 1: Teoría de la Generación de Vapor

Nociones generales sobre el Vapor de Agua.

El vapor es usado en la industria por lo conveniente y económico para el transporte de energía y calor. Usos: Industria alimentos, manufactura en general, laboratorios de control de calidad, centros de salud, clínicas y hospitales.

El vapor producido, es llevado a los puntos de consumo para utilizar su fuerza, su cantidad de calor o temperatura.

Proceso de Vaporización.

Es un proceso en el cual el agua pasa de la fase líquida a la fase de vapor, este se puede realizar por evaporación y por ebullición.

Proceso de Vaporización.

Proceso de transferencia de calor y masa que se presenta e involucra el cambio de fase líquida a fase gaseosa en condiciones ambientales de presión y temperaturas del sistema en análisis.

Evaporación.

• Se produce sólo en la superficie libre del líquido.• Esta asociado a gradientes de temperaturas.• Es un fenómeno “natural” que no tiene turbulencia visible.

Proceso de Vaporización.

• Es un proceso de cambio de fase líquida a fase gaseosa, producto de un suministro de calor al sistema.

• Es de características turbulentas, es decir hay agitación visible.

• La temperatura de “ebullición” va a depender del fluído y de la presión a la cual está sometido. A menor presión atmosférica la temperatura de ebullición será menor.

Ebullición.

Proceso de Vaporización.

En el caso del agua, “ebulle” a 100 ºC, en un recipiente “abierto”, cuando la presión total (atm) a la cual está sometida es de 1 atm. (nivel del mar).

Cuando el agua entra en el proceso de ebullición, su temperatura se mantendrá constante.

Ebullición.

Proceso de Vaporización.

El proceso será violento y tumultuoso, pero su temperatura se mantendrá constante.

Ebullición.

Proceso de Vaporización.

Factores que influyen en el punto de ebullición de un líquido.

• La presión exterior (atmosférica): Si hacemos hervir un mismo líquido en recipiente colocado al interior de una campana de vacío, puede observarse que al bajar gradualmente la presión, desciende en igual forma el punto de ebullición del líquido. Lo contrario sucede si aumentamos la presión.

• La profundidad del líquido: La presión hidrostática se suma a la presión atmosférica, retardando la ebullición, o sea elevando su punto de ebullición.

Factores que influyen en el punto de ebullición de un líquido.

• Los gases disueltos en el líquido: El aire o cualquier otro gas disuelto en el líquido acelera el proceso de ebullición, por lo cual, a mayor cantidad de gas disuelto, más bajo punto de ebullición.

• Las sales en disolución: Retardan el proceso, por lo cual hacen subir el punto de ebullición.

Composición y clasificación del Vapor de Agua.

• El vapor de agua es la fase gaseosa del agua, moléculas dispersas en un volumen del recipiente que los contiene ó disperso a la atmósfera.

• Cuando está seco no tiene olor, ni sabor. Al entrar en contacto con el aire toma un color blanco debido a la formación de gotas de aguas de condensación.

Clasificación del Vapor de Agua.

Existen distintos tipos de vapor de agua, ello va a depender de la presencia de gotitas en suspensión y su temperatura:

Vapor saturado húmedo (ó vapor saturado).Vapor saturado seco.Vapor recalentado.

Vapor saturado húmedo: Es aquel que se produce en un generador de vapor (ó en algunos autoclaves), entendiéndose por tal, el que se encuentra en contacto con el líquido a evaporar sin sobrepasar la temperatura de evaporación, este vapor arrastra partículas de agua sin vaporizar llevándolas en suspensión.

Clasificación del Vapor de Agua.

Ej. Nubes contienen vapor saturado húmedo.

El vapor que emerge del hervidor.

Vapor recalentado: El recalentamiento es un proceso posterior a que se somete el vapor saturado de la caldera, haciéndolo pasar por serpentines de poco diámetro y sometiéndolo a recalentamiento.

A través de éste proceso se termina de secar el vapor, el calor aportado al vapor incrementa su temperatura sin aumentar su presión.

Clasificación del Vapor de Agua.

Tema 2: Conceptos Termodinámicos y Unidades

Energía.

La capacidad para producir un efecto se denomina energía.

Energía.

Tipos de Energía.

Energía cinética: Corresponde a la energía que posee una masa debido a su velocidad.

Energía potencial: Es la energía que posee una masa cuando se halla sometida a la acción de un campo gravitatorio.

Energía interna: Es la energía que posee un cuerpo debido a su actividad molecular. Cuanto más elevada la temperatura, más grande es la actividad molecular y más grande es a su vez la energía interna. (Entalpía)

Calor.

• Es una forma de energía que está relacionada con la temperatura a la cual están los cuerpos y su capacidad de almacenar esta energía.

• Dos cuerpos de la misma composición pueden tener la misma temperatura, pero tendrá más calor el que contenga más masa.

• Una esfera de hierro de 10 cm. de diámetro y otra de 5 cm. de diámetro puede tener exactamente una misma temperatura, pero la esfera de mayor diámetro poseerá mayor cantidad de calor, porque tiene más masa.

Calor.

C uerpo A es e l doble de B en volum en

A B

Unidades de Calor.

Sistema métrico: se usa la kilocaloría (kcal.), se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 ºC la temperatura de 1 litro o kilo de agua.

Sistema inglés: se usa el B.T.U. (British Thermal Unit) y se define como la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 ºF, la temperatura de 1 libra de agua.

1 B.T.U. = 0,252 kcal 1 kcal = 3,968 B.T.U.

Diagrama de Fases del Agua.

Tipos de Calor.

Calor sensible:

Es el calor que recibe un cuerpo y hace que aumente su temperatura sinhaber cambio de fase.

Tipos de Calor.

Ej. Para calentar un litro (1 kilo de agua) desde 0 ºC, hasta 100 ºC, a una atmósfera de presión, se necesitan 100 Kcal.

Para cualquier material, el calor sensible se expresa como:

m : masaCp: calor específico del material (Tf – Ti): diferencia de temperaturas (final menos inicial)

Calor sensible = m x Cp (Tf – Ti)

Tipos de Calor.

Calor latente:

Es la cantidad de calor necesario para que un material cambia de fase.

sólido-líquido (fusión) ≡ líquido-sólido (solidificación)líquido-vapor (evaporación) ≡ vapor-líquido (condensación)

Tipos de Calor.

Ej. Un kilo de agua (fase líquida) a 100 ºC, requiere de 539 kcal para llevarlos al estado de vapor a 100 ºC, esto a una presión de 1 atmósfera (1,033 kg/cm2).

El calor latente varia muy poco con las presiones externas y son propiedades termodinámicas propias de cada material.

Calor latente = m x λm : masa del materialλ : calor latente (kcal/kg)

Cambios de Estados del Agua a Presión Constante.

Calor total de Vaporización.

Calor total de vaporización:

Es la cantidad de calor necesaria para transformar una masa de agua (l), desde una temperatura inicial (ref. 0° C) a estado de agua (g), a 100 ° C. En consecuencia, el calor total de vaporización, es la suma del calor sensible más el calor latente, que a la presión atmosférica tiene un valor de 639 Kcal.

Calor total de vaporización:

Calor sensible + Calor latente

Calcular la cantidad de calor necesaria para calentar 1 m3 de agua desde 15 ºC hasta 80 ºC.

Ejercicio 1

Ejercicio 1

Desarrollo.

Para calentar 1 litro de agua en 1 ºC, se necesita 1 KcalPara calentar 1 litro de agua en 65 ºC, se necesitan 65 Kcal

Por lo tanto,

Para calentar 1 m3 (1000 litros) de agua en 65 ºCse necesitan 65000 Kcal (calor sensible)

ó Calor sensible = 1000 kg x 1 (kcal / kg °C) x (80-15) °C

Calcular la cantidad de calor necesaria para evaporar 100 litros de agua, encontrándose el agua (en fase líquida) a 0 ºC.

Ejercicio 2

Ejercicio 2

Desarrollo.

a.- Cálculo Calor sensible:

Para calentar 1 litro de agua en 1 ºC se necesita 1 kcalPara calentar 1 litro de agua en 100 ºC se necesitan 100 KcalPara calentar 100 litros de agua en 100 ºC se necesitan 10000

Calor sensible es de 10000 kcal

Ejercicio 2

b.- Cálculo Calor latente:

Transformar 1 kg de agua (fase líquida) a 100 °C en 1 kg agua (fase gaseosa ≡ vapor de agua) a 100 °C

Calor latente es de 100 kg x 539 kcal/kg = 53900 kcal

Ejercicio 2

Calor total de vaporización = Calor sensible + Calor latente

Calor total de vaporización = 10000 kcal + 53900 kcal

Calor total de vaporización = 63900 kcal

Tablas Termodinámicas Vapor de Agua.

Presión manométrica

(atm)

Presión absoluta(kg/cm2)

Temperatura(°C)

Calor sensible(kcal/kg)

Calor latente(kcal/kg)

Calor total(kcal/kg)

0 1,033 100 100 539 639

1 2,066 121 121 525 646

2 3,100 134 135 516 651

3 4,133 144 145 509 654

4 5,166 152 152 503 655

Equivalencia Mecánica del Calor.

Cuando nuestro equipo es eléctrico, utilizamos la equivalencia mecánica comprobada por Joule:

1 kw (kilowatt) = 860 kcal/hr, 1 kwh = 860 kcal

Otras equivalencias: 1 Joule = 1 watt x seg 1 kwh (kilowatt x hora) = 3,6 x 106 Joule 1 cal = 4,187 Joule 1 kcal = 4,187 kJ

Rendimiento Eléctrico de un Autoclave.

El consumo eléctrico de nuestro equipo, kJ/hr nos permitirá determinar el rendimiento eléctrico del sistema :

Ej. Un ciclo del autoclave de sobremesa (equipo batch) utiliza 250 ml de agua por proceso, trabaja a 2 atm de presión manométrica, tiene un consumo de 1200 kJ/h, el rendimiento del equipo será si cada ciclo de autoclave utiliza 40 min.

Rendimiento Eléctrico de un Autoclave.

100 x (Calor generado/Calor aportado)

Calor generado = 0,25 kg x 651 kcal/kg = 162,75 kcal (uso de tablas de vapor)

Calor aportado = 1200 kJ/hr x 40/60 hrs = 191,84 kcal

4,187 ( kJ/hr/kcal)

Rendimiento térmico = 100 x 162,75/191,84 = 84,8 %

Cuando nuestro equipo que utiliza un combustible, la energía proviene de un proceso de combustión.

Hablamos del poder calorífico de los combustibles:

Cantidad de calor que genera un kilo de combustible al quemarse.

Rendimiento Eléctrico de un Autoclave.

1200011000

950068003500

KcalKcalKcalKcalKcal

Gas licuadoKerosenePetróleo dieselCarbónLeña

Formas de Transmisión del calor

El calor se transmite de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura mediante tres formas: Conducción, Convección y Radiación.

• Conducción: Es la forma en que se trasmite el calor a los cuerpos sólidos, y se propaga a través del movimiento vibratorio de las moléculas de los cuerpos

Formas de Transmisión del Calor.

Convección:

Es la transmisión del calor por el movimiento de la sustancia misma, y es la forma en que se propaga el calor en los líquidos y gases.

Ej. El desplazamiento de los vientos se genera por un fenómeno de convección, aires calientes se desplazan hacia zonas más frías.

Formas de Transmisión del Calor.

Radiación:

Es la transmisión del calor de un cuerpo caliente a uno más frío a través del espacio, sin necesidad de un medio material que lo conduzca o transporte.

Ej. La radiación solar es la energía calórica que genera el fenómeno de vaporización del agua.

Temperatura.

• La temperatura se define como “La medida del nivel de actividad molecular que tiene un cuerpo”. Se dice que un cuerpo esta caliente cuando tiene una temperatura alta y está frío cuando su temperatura es baja, no interviniendo su tamaño ni cantidad de masa, sino sólo la medida de su energía interna o su actividad molecular.

Temperatura.

• Para medir la temperatura se usan las escalas termométricas, siendo las más usadas la escala centígrada o Celsius en el sistema métrico (ºC) y la escala Fahrenheit en el sistema inglés (ºF).

Escalas Termométricas.

Equivalencia entre ambas escalas.

ºK = ºC + 273

ºR = ºF + 460

+ 325

9 X ºC32

100180 x ºC

ºF = + ºF = ºF = 1,8 x ºC + 32

180

100 x (ºF - 32)ºC =

9 5 x (ºF - 32)

ºC =1,8

(ºF – 32)ºC =

Ejercicios

Exprese la temperatura de 100 ºF en ºC.

Resp. = 37,7 ºC

Exprese la temperatura de 60 ºC en ºF.

Resp. = 140 ºF

1,8(ºF – 32)

ºC =

ºF = 1,8 x ºC + 32

Ejercicios

Exprese la temperatura de 100 ºF en ºR.

Resp. = 560 ºR

Exprese la temperatura de 60 ºC en ºK.

Resp. = 333 ºKºK = ºC + 273

ºR = ºF + 460

Presión.

Es la fuerza que se ejerce sobre una superficie. En las calderas la presión se mide con un instrumento o accesorio llamado manómetro, el que puede indicar la presión en distintas unidades.

Tipos de Presión.

Presión atmosférica: Presión que ejerce la atmósfera sobre los cuerpos sumergidos en ella. Al nivel del mar, y a 0 ºC, su valor normal se considera de 760 mm Hg (1.033 kg/cm2).

Presión relativa: La presión relativa (manométrica), es la presión referida a la presión atmosférica del lugar; es decir, la presión atmosférica del lugar sería el punto de referencia cero en este caso.

Presión absoluta: Es la presión medida sobre el cero absoluto, como nivel de referencia, y es igual a la presión relativa más la presión atmosférica.

Relación entre Presiones.

Unidades

Sistema métrico:

La fuerza se mide en kilos y la superficie en centímetros cuadrados obteniéndose la unidad de presión kg/cm2.

Sistema inglés:

La fuerza se mide en libras y la superficie en pulgadas cuadradas, obteniéndose la unidad de presión Lbs/pulg2.

Equivalencias.

760 mmHg = 1 atm = 1,033 kg/cm2 = 14,22 lbs/pulg2 = 10,33 mca

1 psi = 1 lbs/pulg2 1 bar = 1 kg/cm2

psi (pound square inch)

Se tiene un manómetro que marca 90 Lbs/ pulg2 y se debe reemplazar por otro que está graduado en kg/cm2

¿Cuánto deberá marcar el nuevo instrumento?

Ejercicios

Desarrollo

1 kg/cm2 = 14.22 Lbs/ pulg2 , entonces:

90 Lbs/ pulg2 x 1 kg/cm2 / 14.22 Lbs/ pulg2

Respuesta 6,33 kg/cm2

Supongamos que tenemos un manómetro que indica 4,5 kg/ cm2.

¿Cuántas libras por pulgadas cuadras son?

Ejercicios

Desarrollo

1 kg/cm2 = 14.22 Lbs/ pulg2 , entonces:

4,5 kg/cm2 x 14.22 Lbs/ pulg2 / 1 kg/cm2

Respuesta 63.99 Lbs/ pulg2

Se tiene un manómetro que marca 90 Lbs/ pulg2 y se debe reemplazar por otro que está graduado en kg/cm2.

¿Cuánto deberá marcar el nuevo instrumento?

Ejercicios

Respuesta 6,33 kg/cm2

Supongamos que tenemos un manómetro que indica 4,5 kg/ cm2.

¿Cuántas libras por pulgadas cuadras son?

Ejercicios

Respuesta 63.99 Lbs/ pulg2

En un sistema de calefacción por agua caliente, el altímetro marca 46 metros.

¿Cuanto marcará un manómetro que esta graduado en kg/ cm2, Lbs/ pulg2, Bar y Psi?

Ejercicios

Respuesta 4,6 kg/ cm2 (Bar)Respuesta 65,4 Lbs/ pulg2 (Psi)