Maquinas y equipos térmicos 1 - Unidad 2.pptx

Breve presentación sobre el tema 1 de maquinas y equipos térmicos

1. Maquinas y equipos térmicos 1

2. Unidad 2 : Generadores de Vapor Alumno: Luis Angel Yáñez Balleza No. de Control: 21500497 Semestre: 6to Docente: Jaime Cruz Azuara Carrera: Ing. Electromecánica Grupo: 3

3. 2 .1 .- Clasificación de los generadores de vapor

4. Definición de Generador de vapor Un combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor. Supone la liberación de una energía de su forma potencial (energía de enlace) a una forma utilizable sea directamente (energía térmica) o energía mecánica (motores térmicos) dejando como residuo calor, dióxido de carbono y algún otro compuesto químico . En un combustible con 0% de humedad y sin hidrógeno en su composición elemental, el poder calorífico superior coincide con el inferior . Los combustibles se pueden clasificar, por ejemplo, en sólidos, líquidos y gaseosos.

5. Combustibles solidos Entre los combustibles sólidos se incluyen el carbón, la madera y la turba natural. El carbón se quema en calderas para calentar agua que puede vaporizarse para mover máquinas a vapor o directamente para producir calor utilizable en usos térmicos (calefacción). La turba y la madera se utilizan principalmente para la calefacción doméstica e industrial, aunque la turba se ha utilizado para la generación de energía y las locomotoras o los barcos que utilizaban madera como combustible fueron comunes en el pasado.

6. Combustibles líquidos Los combustibles líquidos se caracterizan por encontrarse en este estado a temperatura ambiente y presión atmosférica. El petróleo es el más conocido, pero no se suele utilizar en crudo, sino que se refina para producir gasolina, diésel o queroseno, entre otros. Además , el petróleo se usa como materia prima en la industria química para fabricar multitud de productos de nuestra vida cotidiana.

7. Gases Combustibles Un gas combustible es un gas que se utiliza como combustible para producir energía térmica mediante un proceso de combustión. El gas natural (cuyo mayor componente es el metano) es el más habitual, pero existen otros como: Gas licuado del petróleo (GLP), como propano o butano. Se obtienen mayoritariamente en la destilación fraccionada del petróleo .. Hidrógeno . Se obtiene a partir de la electrólisis del agua invirtiendo energía eléctrica, o a partir de gas natural.

8. Hidrocarburos Los hidrocarburos son compuestos orgánicos conformados únicamente por átomos de carbono e hidrógeno. Los hidrocarburos son ejemplos de hidruros del grupo 14. Debido a que el carbono tiene 4 electrones en su capa más externa (y debido a que cada enlace covalente requiere una donación de 1 electrón, por átomo, para la formación del enlace) por lo tanto el carbono tiene exactamente cuatro enlaces que hacer, y solo se establece si se usan 4 de estos enlaces. Los hidrocarburos aromáticos (arenos), alcanos, cicloalcanos y alquilo son compuestos basados en diferentes tipos de hidrocarburos. Las cadenas de átomos de carbono pueden ser lineales o ramificadas, y abiertas o cerradas. Los que tienen en su molécula otros elementos químicos (heteroátomos) se llaman hidrocarburos sustituidos.

9. Lista de Hidrocarburos Parafinicos

10. 1.2.- Procesos de combustión teóricos y reales

11. Combustión completa Cuando los hidrocarburos se queman por completo, reaccionan completamente con oxígeno, produciendo el producto oxidado más alto posible (dióxido de carbono). Dado que los hidrocarburos solo tienen átomos de carbono e hidrógeno en su estructura, la combustión completa de ambos "elementos" produce los óxidos en la etapa más alta posible, a saber, dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Esto se aplica a la combustión completa de todos los hidrocarburos, por lo que la ecuación de reacción para una combustión completa se puede establecer fácilmente : Hidrocarburo + oxígeno => dióxido de carbono y agua

12. Combustión Incompleta La combustión incompleta siempre tiene lugar si no hay suficiente oxígeno (en la relación estequiométrica) o si no hay una mezcla completa de la mezcla de reacción (que consiste en hidrocarburos y oxígeno). La combustión incompleta siempre se puede determinar si los productos de reacción todavía contienen materiales de partida (hidrocarburos) o productos oxidados de manera incompleta (por ejemplo, monóxido de carbono ). Dado que la combustión incompleta no tiene suficiente oxígeno para convertir los átomos de carbono e hidrógeno en el óxido con el estado de oxidación más alto, la combustión incompleta produce monóxido de carbono.

13. Combustión estequiométrica También llamada combustión exacta. Se produce con la combustión completa pero realizada también con la cantidad exacta de oxígeno para oxidar totalmente el combustible. Como la reacción consume completamente el combustible y el oxígeno, los gases que se producen no contienen ya estas sustancias . En una reacción química se conoce como mezcla estequiométrica aquella en la cual hay las proporciones necesarias de los elementos o moléculas que van a mezclarse para que en la reacción participen todas y una vez finalizada no queden moléculas de uno u otro compuesto reactivo que no e haya mezclado y dado como resultado otro compuesto.

14. 1.3.- entalpía de formación y combustión

15. Entalpía Entalpía es el nombre dado a una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica (es decir, a presión constante) en un sistema termodinámico (teniendo en cuenta que todo objeto conocido puede ser entendido como un sistema termodinámico), transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico). Es en tal sentido que la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.

16. Entalpía de formación Cuando se forman las moléculas a partir de los elementos, se requiere un aporte o una liberación de la energía química para completar la reacción. En cualquier caso, la energía de la molécula, y por consiguiente su entalpía, difiere de la suma de las entalpias de los átomos constituyentes de la molécula. La entalpía de la molécula resultante puede escribirse como: Donde es la entalpía requerida para formar la molécula a partir de los átomos constituyentes, para un estado dado, o entalpía de formación.  

17. Entalpía de combustión Considérese la combustión de un hidrocarburo general CnHm en aire. Si se acepta que existe exactamente el oxígeno suficiente para reaccionar químicamente con el combustible presente, es decir, que se tienen presentes cantidades estequiométricas de combustible y de oxidante, la reacción de combustión se escribe: Donde Ai son los coeficientes estequiométricos para esta reacción. Realizando un balance de los átomos en ambos lados de la ecuación se obtiene A2 = A5, A1 = n + m/4, A3 = n y A4 = m/2. El coeficiente estequiométrico del combustible se ha tomado como la unidad arbitrariamente. En la combustión con aire, el nitrógeno y el oxígeno del aire están en la relación volumétrica (y, por consiguiente, en la relación molar, si actúan como gases ideales) A2/A1 = 79/21 = 3.76, tal como se encuentran en la atmósfera.

18. 1.4.- Poderes caloríficos inferior y superior

19. Que es poder Calorífico El poder calorífico define la cantidad de energía por unidad de masa que puede generar un combustible al producirse una reacción química de oxidación. Cabe recordar que la mayor parte de los combustibles tienen en su composición hidrógeno y carbono. Al arder, estos compuestos se fusionan con el oxígeno, produciendo agua, dióxido de carbono y calor. Este calor se transforma en energía. El poder calorífico se mide siempre por unidad de masa de combustible oxidada. Las unidades de medida varían en función del estado del combustible. Las más habituales son kcal/kg (en combustible sólido); kcal/m³ (en combustible gaseoso) o kcal/l (en combustible líquido ). Para medir el poder calorífico de un determinado combustible, se utilizan unos dispositivos denominados bombas calorimétricas. Cuanto más elevado sea el poder calorífico de un combustible, mayor será la cantidad de energía que será capaz de producir .

20. Clasificación El poder calorífico se denomina poder calorífico inferior (PCI) o LHV ( lower heating value) cuando el agua sale como vapor, y poder calorífico superior (PCS) o HHV (higher heating value) cuando el agua en los gases de combustión se condensa por completo, de manera que también se recupera el calor de vaporización. La diferencia entre estos dos poderes caloríficos es igual al producto de la cantidad de agua y la entalpía de vaporización del agua a temperatura ambiente. Por ejemplo, los poderes caloríficos inferior y superior de la gasolina son 44 000 kJ/kg y 47 300 kJ/kg, respectivamente. Una definición de eficiencia debería dejar claro si se basa en el poder calorífico inferior o superior del combustible. Las eficiencias de los motores de automóviles y aviones a reacción normalmente se basan en poderes caloríficos inferiores pues regularmente el agua sale en forma de vapor en los gases de escape y resulta prácticamente imposible intentar recuperar el calor de vaporización.

21. Poder Calorífico de los principales combustibles Poder calorífico del gas propano: PCI Y PCS: El PCS del propano es de 12.052 kcal / kg, mientras que su PCI es de 11.082 kcal /kg. Poder calorífico del Gas Natural Licuado ( GNL): PCI y PCS: El PCS del GNL es de 11.700 kcal / kg, mientras que su PCI es de 10.565 kcal / kg. Leña : Su poder calorífico depende de la cantidad de humedad que contenga. Puede estar comprendido entre los 12.000 y 21.000 KJ/Kg. Carbón vegetal: Su poder calorífico oscila entre los 29.000 y 35.000 KJ/kg, estando muy por encima de los niveles de la madera. Gas natural: Es uno de los combustibles más empleados del mercado, por su excelente precio y por su gran poder calorífico que está comprendido entre los 35.731 y los 40.000KJ/Kg. Gasóleo : Su poder calorífico es algo superior al del gas natural, pudiendo alcanzar los 42.000KJ/l.

22. 1.5 .- Análisis de la primera ley de sistemas reactivos

23. Primera Ley de sistemas reactivos Los procesos de combustión en la práctica son muy complicados; por esta razón las características de las reacciones químicas involucradas son solo conocidas para casos de combustibles simples tales como: H2 y CH4. Para combustibles con estructuras más complejas el camino real a través del cual tienen lugar las transformaciones químicas no está completamente determinado. Sin embargo, para relacionar los estados inicial y final de las mezclas que participan en el proceso de combustión se puede emplear la Primera Ley de la Termodinámica en vista de que su aplicación no requiere que los detalles de los procesos sean conocidos. La Primera Ley de la Termodinámica relaciona los cambios de energía interna o entalpía con el calor y el trabajo transferido.

24. Para un sistema con masa, m, como el mostrado en la Figura 4, donde se considera que están ocurriendo cambios en la composición de los reactantes a productos, la aplicación de la Primera Ley entre los estados inicial y final queda indicada por la ecuación a continuación :  

25. Por convención se considera que el calor transferido al sistema y el trabajo realizado por el mismo son positivos. En forma general se pueden analizar dos tipos de procesos de combustión: a volumen constante y a presión constante. Para cada caso se conocen las condiciones de p y T al comienzo del proceso y se desea calcular la energía liberada cuando la combustión avanza y se reestablecen nuevos valores para p y T. Proceso de combustión a volumen constante: Proceso de combustión a presión constante:  

26. 1.6 .- Sistemas de flujo estable y flujo cerrado

27. Sistemas de flujo El balance de energía (o primera ley) desarrollado anteriormente en el subtema 1.5 es aplicable por igual a sistemas reactivos y no reactivos . Sin embargo, los sistemas químicamente reactivos implican cambios en su energía química y, en consecuencia, resulta más conveniente reescribir las relaciones de balance y energía en forma tal que los cambios en las energías químicas se expresen de modo explícito, lo que se hace en esta sección primero para sistemas de flujo estacionario, y luego para sistemas cerrados.

28. Sistemas de flujo estacionario Es necesario expresar la entalpía de un componente en una forma conveniente para su uso en sistemas reactivos. Es decir, se necesita expresar la entalpía de tal manera que sea relativa al estado de referencia estándar y que el término de la energía química aparezca explícitamente. Cuando se expresa de manera adecuada, el término de entalpía debe reducirse a la entalpía de formación en el estado de referencia estándar. Con esto en mente, se expresa la entalpía de un componente por unidad de mol como: Entalpía = h° f + (h - h° ) (KJ/ kmol ) donde el término entre paréntesis representa la entalpía sensible relativa al estado de referencia estándar, que es la diferencia entre h (la entalpía sensible en el estado especificado) y h° (la entalpía sensible en el estado de referencia estándar de ° 25 °C y 1 atm ).  

29. Sistemas cerrados La relación general de balance de energía para un sistema cerrado E entrada - E salida = ΔE sistema se expresa para un sistema cerrado químicamente reactivo en reposo como: donde U prod representa la energía interna de todos los productos, y U react es la energía interna de los reactivos. Para evitar el uso de otra propiedad (la energía interna de formación uf° ) se utiliza la definición de entalpía a continuación: Donde hemos tomado la transferencia de calor hacia el sistema y el trabajo realizado por el sistema como cantidades positivas. Los términos Pv son insignificantes para sólidos y líquidos y pueden sustituirse por RuT para gases que se comportan como un gas ideal.

30. 1.7.- Temperatura de flama adiabática

31. Flama Adiabática En ausencia de cualquier interacción de trabajo y cambios cualesquiera en las energías cinética y potencial, la energía química liberada durante un proceso de combustión se pierde como calor hacia los alrededores o se usa internamente para elevar la temperatura de los productos de combustión. En el caso límite en que no haya pérdida de calor hacia los alrededores (Q=0), la temperatura de los productos alcanzará un máximo, conocido como temperatura de flama adiabática o de combustión adiabática. La temperatura de flama adiabática de un proceso de combustión de flujo estacionario se determina de la ecuación siguiente al establecer Q=0 y W=0. Esto produce:  

32. Una vez que se especifican los reactivos y sus estados, resulta fácil determinar la entalpía de los reactivos H react . Sin embargo, debido a que la temperatura de los productos no se conoce antes de los cálculos, el cálculo de la entalpía de los productos H prod no es directo. Por consiguiente, la determinación de la temperatura de flama adiabática requiere el uso de una técnica iterativa, a menos que se disponga de ecuaciones para los cambios de entalpía sensible de los productos de combustión. Se supone una temperatura para los gases producto, y la H prod se determina para esta temperatura. Si ésta no es igual a H react , los cálculos se repiten con otra temperatura. La temperatura de flama adiabática se determina luego a partir de estos dos resultados mediante interpolación. Cuando el oxidante es aire, los gases producto se componen principalmente de N 2 y una buena primera suposición para la temperatura de flama adiabática se obtiene tratando todos los gases producto como N 2 .

33. En las cámaras de combustión, la temperatura más alta a la que un material puede exponerse está limitada por consideraciones metalúrgicas. Por consiguiente, la temperatura de flama adiabática es una consideración importante en el diseño de las cámaras de combustión, de las turbinas de gas y de toberas. Sin embargo, las máximas temperaturas de estos dispositivos son bastante menores que la temperatura de flama adiabática, puesto que la combustión suele ser incompleta, se presentan algunas pérdidas de calor y algunos gases de combustión se disocian a altas temperaturas. La temperatura máxima en una cámara de combustión puede controlarse ajustando la cantidad de exceso de aire, que sirve como refrigerante. Note que la temperatura de flama adiabática de un combustible no es única. Su valor depende de: el estado de los reactivos el grado al que se completa la reacción la cantidad de aire utilizado Para un combustible especificado a un estado especificado que se quema con aire a un estado especificado, la temperatura de flama adiabática alcanza su valor máximo cuando sucede la combustión completa con la cantidad teórica de aire.

34. 1.8 .- Análisis de la segunda ley de sistema reactivos

35. Segunda Ley de Sistemas reactivos La primera ley nos ayuda a hacer el balance, por así decirlo, respecto al calor liberado o absorbido, al trabajo efectuado o recibido, en un proceso o reacción en particular, pero, no podemos emplear este argumento para saber si un proceso sucede o no. La segunda Ley de la termodinámica nos explica por qué los procesos químicos suceden de manera espontánea .   Los procesos espontáneos y la Entropía Si alguien proyectará una película revés nos daríamos cuenta inmediatamente, pues sucederían situaciones que sabemos que NO se pueden dar, tales como: un clavadista que sale hacia arriba impulsado por el agua y cae de pie sobre la tabla del trampolín; una cascada de agua que, en lugar de caer el agua al río, ésta sube a la montaña .

36. ¿Por qué no suceden esos procesos en la realidad? la razón es la flecha del tiempo avanza solo hacia el futuro estos procesos simplemente no ocurren, son imposibles. Si analizamos el proceso de fusión del agua, que es endotérmico a presión atmosférica Cuando T > 0°C, el hielo fundirá espontáneamente, pero a esa misma temperatura y presión, la conversión de agua líquida en hielo será no espontánea. Cuando T < 0°C se cumple lo contrario, el agua líquida se convierte en hielo espontáneamente, y la conversión del hielo en agua no es espontánea. Cambio de Entropía en el sistema: Para calcular el cambio de entropía en una reacción química (sistema), se debe considerar el cambio de entropía de la posición final (productos) a la posición inicial (reactantes). Para una hipotética reacción: a A + b B → c C + d. Podemos calcular la entropía estándar de reacción de la siguiente forma :

37. 1.9 .- Influencia de condiciones atmosféricas

38. Densidad del aire Cuando hablamos de densidad del aire, nos referimos a la cantidad de moléculas de oxigeno que contiene un volumen de aire en un momento dado, la densidad del aire puede verse afectada por la temperatura, altitud, algunas condiciones atmosféricas como tormentas, etc. Con una densidad del aire baja (poca concentración de oxigeno), un motor funcionaria con una relación aire / combustible rica, ya que la cantidad de aire suministrada a las cámaras de combustión seria poca para el volumen de combustible entregado, al contrario, ocurriría con una densidad de aire alta, la cantidad de ésta seria mucha para la cantidad de combustible suministrado, mezcla aire/combustible pobre.

39. Temperatura Ambiente La temperatura incide directamente en la densidad del aire, cuando ésta aumenta, la densidad del aire disminuye, con bajas temperaturas la densidad aumenta Humedad: Cuando la humedad del ambiente se incrementa el octanaje requerido para el buen funcionamiento del motor disminuye, por cada gramo de agua que se le agregue a un kilogramo de aire seco , el octanaje requerido para el buen funcionamiento del motor decrece de 0.25 a 0.35. En la segunda guerra mundial era una práctica común inyectar agua a la admisión de aire de los motores de aviación para disminuir la temperatura de las cámaras de combustión, también se utiliza la inyección de agua en motores provistos de turbos o sopladores, de esta manera se aumenta el índice de octano y se evita el peligroso efecto conocido como detonación, pisoneo o picado de biela.

40. Altitud (presión atmosférica) Por ejemplo al ir ascendiendo por una ruta de montaña , mientras más aumentemos nuestra altura sobre el nivel del mar menor será la densidad del aire. Los motores Diésel de aspiración natural (sin turbo) pierden un 10% de potencia por cada 1000 más. Que asciendan sobre el nivel del mar, en el caso de los motores de gasolina el requerimiento de octano necesario para el motor decrece de uno a dos octanos por cada 1000 más de ascenso sobre el nivel del mar, esto último producto de la escasez de aire y la disminución de la presión de combustión, y por ende la disminución de la potencia efectiva del motor.

41. 1.10 .- Análisis de los productos de la combustión

42. El análisis de los productos de la combustión provee la información necesaria para saber lo que ocurre antes y después de la combustión. También es posible saber la composición del combustible a través de un análisis exhaustivo de los productos de la ignición. La combustión es una reacción química del oxígeno con la sustancia que ejerce de combustible a escala molecular. No obstante, las moléculas son tan pequeñas que a simple vista observar el fenómeno a nivel individual es imposible, por lo que no es práctico y lo que se suele hacer habitualmente es realizar un análisis sobre todo el conjunto. Los objetivos de este estudio básicamente son dos. Primero, tendríamos que analizar e interpretar los productos de la combustión. Como segundo objetivo deberías alcanzar la facultad de entender el manejo de un aparato de análisis de productos de la combustión. Básicamente, estas dos son las competencias que cualquier formación en análisis de los productos de la combustión debería otorgarte al finalizarla .

43. Para poder abordar de forma racional el problema que conlleva la combustión de elementos, se debe recurrir a un concepto llamado «Mol». En el campo de la ingeniería este concepto se define como el número de moléculas de una sustancia cuya masa es numéricamente igual a su masa molecular. Se mide en kilogramo-mol y uno de hidrógeno (ponemos estos ejemplos porque hablaremos ahora de este elemento) pesa 2’016 Kg, mientras que uno de oxígeno pesa 32 Kg. El número de moléculas contenidas dentro de un Kg-mol es de 6’02*10 elevado a 26. Hemos dado estas medidas porque los dos factores principales que intervienen en cualquier reacción de combustión son el carbono y el hidrógeno. Estos se combinan con el oxígeno que se encuentra en el aire para formar, como mínimo, dióxido de carbono (cuando el oxígeno aportado es insuficiente, también se formará monóxido de carbono) y vapor de agua. De esta forma, el oxígeno y el hidrógeno siempre están presentes en todas las reacciones de combustión, usemos el combustible que usemos.

44. Teniendo en cuenta que medio Kg-mol de oxígeno pesa unos 16 Kg, que uno de hidrógeno pesa unos 2 Kg y que la reacción de la combustión del hidrógeno es que por cada 2 moléculas de agua más una de oxígeno (ambos son diatómicos , es decir, que tienen dos átomos en cada molécula) se forma una molécula de agua, se puede decir que por cada 2 Kg de hidrógeno y 16 Kg de oxígeno se podrán obtener 18 Kg de agua (en forma de vapor porque estamos en una combustión). El análisis de los productos de la combustión provee la información necesaria para el estudio de los procesos que ésta involucra. Indica si eso n o completa, el tipo de sustancias que quedan después de ésta, y la cantidad de aire utilizada con relación al monto de combustible quemado. También es posible la determinación de la composición del combustible a partir del análisis de los productos de combustión. La combustión es, en esencia, una reacción química del oxígeno y el combustible en escala molecular. Así, la combustión está relacionada con las moléculas. Pero las moléculas son tan pequeñas que resultan invisibles. Además, el número de moléculas contenido en un pequeño volumen de sustancia es enorme. Por lo tanto, no es práctico considerar la combustión sobre la base de moléculas individuales.

45. 1.11 .- Normas de control de contaminación ambiental

46. Norma Oficial Mexicana (NOM) Para proteger la salud humana, los gobiernos en muchos países del mundo controlan los niveles de contaminantes atmosféricos utilizando diversas herramientas normativas. Entre éstas se encuentran las normas de calidad del aire, que establecen concentraciones aceptables para la población en términos de los riesgos que los contaminantes representan para la salud humana. Así, dichas normas definen las concentraciones aceptables durante diferentes periodos de exposición, ya que en algunos casos se considera que una concentración menor, pero durante un tiempo de exposición mayor, también representa un riesgo para la población. En nuestro país, la Secretaría de Salud es el órgano responsable de evaluar la evidencia de los impactos de la contaminación atmosférica en la salud y establecer los límites permisibles de concentración de los contaminantes en la atmósfera.

47. La siguiente tabla resume los indicadores con los que se evalúa el cumplimiento de las NOM de salud con respecto a cada uno de los contaminantes criterio :