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BANCO DE VAPOR
Un banco de tubos para generador de vapor, esta caracterizado porque
comprende: un colector de vapor; una pluralidad de hileras separadas de tubos en
comunicación de flujo con el colector de vapor y una pluralidad de hileras de
cabezales o colectores que se extienden debajo y sustancialmente paralelos al
colector de vapor; los tubos se extienden hacia los cabezales para colocar los
cabezales están dimensionados para permitir que se acumulen depósitos sobre la
pluralidad de tubos que se van a remover de los tubos al inducir vibración de los
cabezales y los tubos.
El Banco de Máquina de Vapor consta de una estructura robusta y paneles de
construcción entera de acero, instalado con un área de trabajo apropiada, con una
interconexión con panel de metal y patas ajustables. El banco consta de un sólo
cilindro robusto, un motor de vapor de reciprocidad de doble acción que hace
funcionar un dinamómetro que permite imponer fácilmente una carga resistente
variable, calculable en el motor. El motor de vapor se suministra con la caída de
cabeza de presión en una presión reducida vía una válvula solenoide de viaje de
sobre velocidad y un lubricador de desplazamiento a partir del cual el aceite se
desplaza por gotitas de vapor condensado dentro del suministro de vapor para
lubricar el motor. Un vapor de escape se refrigera por un condensador de tipo de
tubo enrollado, refrigerado por agua.
Las Presiones de vapor de admisión y de evacuación de motor están indicados en
módulos de medición de presión de tubo Bourdon de 0-16 bar y -1 a 3 bar.
Un cubículo de control sobre montado por elementos de carga de resistencia
dentro de cierre ventilado separado, contiene circuitos eléctricos de control y se
instala con interruptores de control y las instrumentaciones de indicación para la
velocidad de motor, la corriente del rendimiento de salida y el voltaje y
temperaturas análogas que pueden seleccionarse por un interruptor de
multiposición asociada.
Dos puntos de medición de temperatura cada uno completo con un termopar de
tipo K, instalado en la entrada de agua refrigerante y las líneas de condensación y
también un buque de medición / colección de condensación.
Cubículo De Control
Una fabricación de acero ligero que contiene circuitos eléctricos de control para
un funcionamiento a partir de un voltaje de suministro de los clientes, y sobre
montados por un banco de elementos de carga de resistencia dentro de una camisa
de Ventilación.
En la puerta frontal de la unidad un interruptor On /Off, tres botones para el
arranque del motor, un indicador de velocidad del motor de escala, una parada y
una calefacción, un motor control de carga del motor de escala de 0-20 RPS y 0-
141.2 RPS (dinamómetro), un termómetro análogo de 0-250º conectado a través
de un interruptor de multiposiciones, un voltímetro DC de 0-60V y un
amperímetro.
Sistemas De Servicio
El Banco se equipa de líneas de servicio independiente en relación con el
suministro de agua (sin tratamiento), purga y drenaje. Estas líneas se interconectan
con instalaciones similares en otros bancos de vapor para suministrar instalaciones
comunes de servicio.
Servicios Requisito
Un suministro de vapor de presión máx. De trabajo de 10.34 bar y temperatura
máx. De 235ºC, que puede suministrarse por un Banco de Caldera de Vapor o una
Planta de Vapor.
Interconexión De Bancos De Vapor
Permite vincular los bancos de vapor para formar un sistema utilizando un
suministro común de vapor y un sistema de servicios, el banco de vapor está
suministrado completo con:
Un panel posterior de interconexión y un área de trabajo.
Un juego de 4 mangueras flexibles de acero inoxidable para las conexiones
de vapor y servicios.
Una selección de aislamiento térmico de camisa de aluminio para la
manguera flexible de vapor.
Kit De cierre De Tuberías
Este kit se necesitara Si este banco de vapor se instala en una base independiente o
en la última unidad en trabajo de los bancos de vapor.
Especificación Detallada
El banco consta de un sólo cilindro, un motor de vapor de doble acción, instalado
con dos válvulas de drenaje de dos cilindros, puntos de medición de temperatura
completos con termopares de tipo K, mangueras flexibles de acero de admisión y
evacuación, lubricación a partir de un lubricador de desplazamientos, un motor
montado verticalmente en aisladores de vibración, un dinamómetro montado en
soporte de pivote ajustable y un condensador de vapor de escape de tubo
enrollado, refrigerado por agua. Instalado con un punto de medición de presión de
entrada conectado con un modulo de medición de presión de tipo Bourdon de -1 a
3 bar. El agua refrigerante del condensador tiene que suministrarse a partir de
líneas de conductos principales de agua vía una válvula de aislamiento y un
indicador de flujo de tipo flap, los puntos de medición de temperatura completos
con termopares de tipo K, tienen que instalarse en la salida del agua refrigerante y
las líneas de condensación. El motor de vapor se suministra con vapor a partir de
una línea de caída de cabeza de vapor completamente aislada vía una válvula de
control de vapor Veereg, una válvula de reducción de presión de 10.3 a 5.5 bar,
una válvula de alivio de presión instalada para purgarse en la atmósfera de 6.9 bar,
una válvula solenoide de viaje de alta velocidad y un punto de medición de
presión conectado con un modulo de medición de presión de tubo Bourdon de 0-
16 bar. Los circuitos eléctricos de control se conectarán con el voltaje de
suministro de clientes y se colocarán en un cubículo de acero ligero que podrá
sobrepasarse por elementos de carga de resistencia en un cierre de ventilación, e
instalado con un interruptor on / off, tres botones de control de motor, un control
de rotación para hacer variar la carga, un contador para la velocidad del motor y
para la velocidad del dinamómetro, un termómetro análogo que utilizar en
conjunción con un interruptor de multiposiciones, un voltímetro Dc. de 0-60V Dc.
y un amperímetro Dc de 0-50A Dc. Un guardián protector tiene que estar
instalado en una camisa protectora de plexiglás transparente en la parte frontal del
motor, lo precedente se instala en una estructura y paneles de construcción entera
de acero completa con instalaciones de servicio en relación con un suministro de
agua, purga y drenaje. La unidad tiene que suministrarse con un panel posterior de
interconexión, una superficie de trabajo y un juego de 4 mangueras de
interconexión flexibles de acero para integrarse dentro de un sistema de bancos.
BOMBA DE CALOR
Una bomba de calor es una máquina térmica que permite transferir energía en
forma de calor de un ambiente a otro, según se requiera. Para lograr esta acción es
necesario un aporte de trabajo acorde a la segunda ley de la termodinámica, según
la cual el calor se dirige de manera espontánea de un foco caliente a otro frío, y no
al revés, hasta que sus temperaturas se igualan.
Este fenómeno de transferencia de energía calorífica se realiza principalmente por
medio de un sistema de refrigeración por compresión de gases refrigerantes, cuya
particularidad radica en una válvula inversora de ciclo que forma parte del
sistema, la cual puede invertir el sentido del flujo de refrigeración, transformando
el condensador en evaporador y viceversa. Por otra parte se puede decir también
que, es un aparato térmico cuyo funcionamiento, basándose en el Principio de
Carnot, consiste en transportar calor de un punto (que puede ser aire, agua o
suelo) a otro con mayor nivel de temperatura. Este proceso se genera a través del
cambio de estado de gas a líquido de un fluido refrigerante, generalmente por
medio de un compresor.Un ejemplo claro de bomba de calor podría ser un
frigorífico. En este caso, el calor se transfiere del interior del frigorífico,
reduciendo su temperatura y por consiguiente la de los alimentos, hacia el exterior
del frigorífico, es decir, la estancia, aumentando su temperatura.
Principio De Funcionamiento De Una Bomba De Calor
Una bomba de calor basa su funcionamiento, en que mueve el calor de un sitio a
otro. Para hacerlo se basa en una propiedad física de la materia, por la que un
cambio de estado absorbe o cede calor. El líquido contenido en el circuito se
convierte en gas de forma mecánica. El gas absorbe el calor en el sitio donde
queremos sacarlo y mediante un compresor que es el que utiliza la electricidad
que consume la bomba inducimos al gas a cambiar de estado de nuevo, cediendo
su calor al cambiar de estado e inyectándolo donde a nosotros nos conviene.
El dispositivo es altamente eficiente, llegando a producir hasta 4 unidades de
energía por cada unidad de energía consumida, convirtiéndolo en el sistema de
climatización más eficiente y económica que existe.
El calor fluye de forma natural desde las altas temperaturas a las bajas
temperaturas. Sin embargo, la Bomba de Calor es capaz de hacerlo en dirección
contraria, utilizando una cantidad de trabajo relativamente pequeña. Las Bombas
de Calor pueden transferir este calor desde las fuentes naturales del entorno a baja
temperatura (foco frío), tales como aire, agua o la propia tierra, hacia las
dependencias interiores que se pretenden calentar o bien para emplearlo en
procesos que precisan calor. Es posible también aprovechar los calores residuales
de procesos industriales como foco frío, lo que permite disponer de una fuente a
temperatura conocida y constante que mejora el rendimiento del sistema.
Para transportar calor desde la fuente de calor al sumidero de calor, se requiere
aportar un trabajo. Teóricamente, el calor total aportado por la Bomba de Calor es
el extraído de la fuente de calor más el trabajo externo aportado.
El principio de funcionamiento de las Bombas de Calor proviene del
establecimiento por Carnot en 1824, de los conceptos de ciclo y reversibilidad, y
por la concepción teórica posterior de Lord Kelvin. Un gas que evoluciona en
ciclos, es comprimido y luego expansionado y del que se obtiene frio y calor.
El desarrollo de los equipos de refrigeración tuvo un rápido progreso, en
aplicaciones como la conservación de alimentos y el aire acondicionado. Sin
embargo las posibilidades de utilizar la otra fuente térmica, el calor o el frío y
calor simultáneamente no se aprovecharon.
Esto fue debido por una parte a las dificultades tecnológicas que presentaba la
construcción de la Bomba de Calor y por otra al bajo precio de la energía, que
hacía que ésta no fuera competitiva con los sistemas tradicionales de calefacción a
base de carbón, fuel-oíl o gas, que presentaban una clara ventaja en relación con
sus costes. Pero la crisis del petróleo y la subida de los precios de los
combustibles a partir de 1973, benefició el desarrollo de la Bomba de Calor.
Segunda Ley De La Termodinámica
Esta ley regula la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos
termodinámicos y por lo tanto la imposibilidad de que ocurran en el sentido
contrario. También establece en algunos casos, la imposibilidad de convertir
completamente, toda la energía de un tipo en otro sin perdidas. De esta forma, la
segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía, que
hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta solo el primer
principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una
magnitud física llamada entropía, tal que, para un sistema aislado (que no
intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de entropía siempre
debe ser mayor que cero.
Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es
unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura, hacia los de menor
temperatura hasta lograr un equilibrio térmico.
Enunciado De Claussius
Es imposible ningún dispositivo que, funcionando según un ciclo, su único efecto
sea el paso de calor de un cuerpo frío a otro más caliente. Es decir: es imposible la
transmisión de calor de un cuerpo de menos temperatura a otro de más
temperatura sin realizar otro efecto en el entorno.
Enunciado De Kelvin
El enunciado de Kelvin-Planck del segundo principio de la termodinámica es el
siguiente:
“Es imposible construir una máquina que, operando cíclicamente, produzca como
único efecto la extracción de calor de un foco y la realización de una cantidad
equivalente de trabajo.”
Este enunciado afirma la imposibilidad de construir una máquina que convierta
todo el calor en trabajo. Siempre es necesario intercambiar calor con un segundo
foco (el foco frío), de forma que parte del calor absorbido se expulsa como calor
de desecho al ambiente.
Matemáticamente, esto implica que el rendimiento de una máquina térmica, que
según el Primer Principio de la Termodinámica podría ser igual a la unidad, es en
realidad siempre menor que la unidad
El enunciado de Kelvin-Planck está enunciado de manera negativa: nos dice lo
que no es posible, no lo que es posible. Se expone además sin justificación previa:
simplemente refleja un hecho empírico, que no ha sido refutado por ninguna
experiencia. Es posible, no obstante, justificar el segundo principio de la
termodinámica acudiendo a la visión microscópica de los sistemas. Este
enunciado establece una asimetría entre calor y trabajo. Mientras que según el
primer principio ambas son formas de variar la energía interna de un sistema, el
segundo principio establece una clara diferencia:
Una máquina puede transformar todo el trabajo en calor (es lo que hace
una estufa eléctrica, por ejemplo).
Una máquina no puede transformar todo el calor en trabajo.
En el enunciado de Kelvin-Planck es importante la palabra “cíclicamente” ya que
sí es posible transformar todo el calor en trabajo, siempre que no sea en un
proceso cíclico. Por ejemplo, en una expansión isoterma suministramos calor a un
gas de forma que éste aumenta su volumen, realizando trabajo. Todo el calor se
transforma en trabajo, pero el proceso no es cíclico, ya que el volumen final del
sistema es diferente del inicial.
Teorema De Carnot
El teorema de Carnot, equivalente al enunciado de Kelvin-Planck, establece que el
rendimiento de una máquina térmica nunca puede ser superior al de una máquina
térmica reversible que opere entre las dos temperaturas extremas, siendo este
rendimiento máximo.
En la mayoría de las situaciones prácticas, este valor máximo está muy por debajo
de la unidad, por lo que el segundo principio de la termodinámica establece unos
límites estrictos al posible aprovechamiento del calor.
Principales Componentes De la Bomba de Calor:
Compresor
Válvula de expansión
Evaporador
Los componentes se conectan en un circuito cerrado por el que circula un fluido
refrigerante.
Tipos De Bomba De Calor: Los principales tipos de Bombas de Calor para
aplicaciones industriales son:
Bombas de calor en ciclo de compresión cerrado
La temperatura máxima obtenida por los fluidos refrigerantes actuales está en
torno a los 120º C. Este es el tipo de bombas más extendido en la industria.
Sistemas De Recompresión Mecánica Del Vapor (MVR):
En estas bombas el fluido que evoluciona es el propio fluido de proceso en un
ciclo abierto. Se clasifican en sistemas abiertos y semiabiertos. En un sistema
abierto, el vapor de un proceso industrial es comprimido. Al elevar su presión se
eleva su temperatura, y condensado en el mismo proceso cede su calor.
En los sistemas semi-abiertos, el calor del vapor recomprimido es cedido al
proceso mediante un cambiador de calor. Se eliminan uno (semiabierto) o dos
(abierto) cambiadores de calor (evaporador y/o condensador) y el salto de
temperaturas conseguido con la bomba es pequeño por esta razón. La eficacia de
utilización es elevada y se obtienen COP«s de 10 a 30. Los sistemas actuales
MVR trabajan con temperaturas de foco frío de 70 a 80º C y ceden el calor a
temperaturas entre 110 y 150º C. En algunos casos pueden llegar a los 200º C. El
agua es el fluido de trabajo más usual, aunque también se pueden utilizar otros
vapores de procesos.
Bombas De Calor De Absorción De Simple Efecto: En Suecia y Dinamarca se
han utilizado para recuperar calor de incineradoras de residuos. Los sistemas
actuales con agua/bromuro de litio alcanzan una temperatura de salida de 100ºC y
un salto térmico de hasta 65º C, con un COP que oscila entre 1,2 y 1,4. La nueva
generación de Bombas de Calor de absorción avanzadas alcanzará temperaturas
de salida de 260º C y saltos térmicos superiores a los mencionados.
Bombas De Calor De Absorción De Doble Efecto: También se las denomina
transformadores de calor. Se aplican a fluidos que tienen un calor residual y una
temperatura intermedia por encima de la del ambiente, pero por debajo de la
utilizable. Mediante el evaporador y el generador el fluido alcanza una
temperatura adecuada para su utilización. En el absorbedor se cede el calor al
proceso. Todos los sistemas de este tipo en la actualidad, utilizan bromuro de litio
y agua como fluidos refrigerantes. Estos transformadores pueden alcanzar
temperaturas de hasta 150º C, con un salto de temperatura de 50º C. Los COP«s
en estas condiciones están comprendidos entre 0,45 y 0,48.
Clasificación De Las Bombas De Calor
Las bombas de calor se pueden clasificar de distintas maneras:
Según El Tipo De Proceso:
Bombas de Calor, cuyo compresor está impulsado mecánicamente por un
motor eléctrico de gas, diesel, o de otro tipo.
Bombas de Calor de accionamiento térmico (Bombas de Calor de
absorción), en las que el ciclo se impulsa mediante calor a temperaturas
elevadas.
Bombas de Calor electrotérmicas, que funcionan según el efecto Peltier.
Según El Medio De Origen y Destino De La Energía: Esta clasificación es la más
utilizada. La Bomba de Calor se denomina mediante dos palabras. La primera
corresponde al medio del que absorbe el calor (foco frío) y la segunda al medio
receptor (foco caliente). Este cuadro en un principio puede parecer un poco
complicado pero lo explico más abajo.
Las bombas de calor aire-aire: son las que más se usan, sobre todo en
climatización. Bombas de calor aire-agua: se utilizan para producir agua
fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.
Bombas de calor agua-aire: Permiten aprovechar la energía contenida en el
agua de los ríos, mares, aguas residuales, etc. Producen unos rendimientos
energéticos mejores que las que utilizan aire exterior.
Bombas de calor agua-agua: son bastante parecidas a las anteriores.
Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua: Aprovechan el calor contenido
en el terreno. Son instalaciones muy raras, por su coste y la gran superficie
de terreno requerido
Según Construcción
Compacta: Todos los elementos que constituyen la Bomba de Calor se
encuentran alojados dentro de una misma carcasa.
Split o partidas: Están constituidas por dos unidades separadas. Una
exterior donde se aloja el compresor y la válvula de expansión y una
unidad interior. De esta manera se evitan los ruidos en el interior local.
Multi-split: Están constituidas por una unidad exterior y varias unidades
interiores.
Según funcionamiento
Reversibles: Pueden funcionar tanto en ciclo de calefacción como en ciclo
de refrigeración invirtiendo el sentido de flujo del fluido.
No reversibles: Únicamente funcionan en ciclo de calefacción.
Termofrigobombas: Producen simultáneamente frío y calor.
Bomba de Calor de Compresión Mecánica: La mayor parte de las Bombas
de Calor existentes trabajan con el ciclo de compresión de un fluido
condensable.
Bomba De Calor De Compresión Mecánica Accionada Por Motor Eléctrico
Etapas Del Ciclo
En el evaporador la temperatura del fluido refrigerante se mantiene por
debajo de la temperatura de la fuente de calor (foco frío), de esta manera el
calor fluye de la fuente al fluido refrigerante propiciando la evaporación de
éste.
En el compresor el vapor que sale del evaporador es comprimido elevando
su presión y temperatura.
El vapor caliente accede al condensador. En este cambiador, el fluido cede
el calor de condensación al medio.
Finalmente, el líquido a alta presión obtenido a la salida del condensador
se expande mediante la válvula de expansión hasta alcanzar la presión y
temperatura del evaporador. En este punto el fluido comienza de nuevo el
ciclo accediendo al evaporador.
El compresor puede ser accionado por un motor eléctrico o por un motor
térmico.
Bombas De Calor Eléctricas
En este tipo de bombas el compresor es accionado por un motor eléctrico.
Bomba De Calor Con Motor Térmico
El compresor es accionado mediante un motor de combustión, alimentado con
gas o con un combustible líquido. Las más extendidas son las Bombas de Calor
con motor de gas.
Bomba De Calor Con Motor De Gas
Ciertos tipos de Bombas de Calor (reversibles) son capaces de proporcionar
calefacción y refrigeración. Las Bombas de Calor reversibles incorporan una
válvula de 4 vías que permite la inversión de circulación del fluido frigorífico. De
esta forma se consigue:
Que se bombee calor del exterior hacia el interior en el ciclo de
calefacción.
Que se bombee calor del interior hacia el exterior en el ciclo de
refrigeración.
Funcionamiento De Una Bomba De Calor Reversible
Ciclo De Calefacción
El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico.
En el intercambiador, situado en el interior del recinto a calentar, el fluido
cede al aire del recinto el calor de su condensación.
El fluido en estado líquido y a alta presión y temperatura se expande en la
válvula de expansión reduciendo su presión y temperatura, evaporándose
en parte.
En el intercambiador situado en el exterior el fluido refrigerante completa
su evaporación absorbiendo calor del aire exterior, retornando al
compresor a través de una válvula de cuatro vías.
Ciclo De Refrigeración
El compresor eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico
siguiendo su camino a través de la válvula de 4 vías.
En el intercambiador, situado en el exterior, el fluido se condensa cediendo
su calor al medio exterior.
El fluido en estado líquido y alta presión se expande en la válvula de
expansión reduciendo su presión y evaporándose en parte.
En el intercambiador, situado en el interior del recinto a refrigerar, el
fluido frigorífico completa su evaporación absorbiendo calor del medio
interior.
Bomba De Calor De Absorción
Los ciclos de absorción son análogos a los de compresión, únicamente se
sustituye el compresor por un circuito de disoluciones que realiza la misma
función que éste, es decir, eleva la presión y temperatura del fluido frigorífico en
estado vapor. El circuito de disoluciones, denominado 2 en el dibujo, consiste en
un absorbedor, una bomba que impulsa la disolución, un generador y una válvula
de expansión.
Se obtiene energía térmica a media temperatura en el condensador y en el
absorbedor. En el generador se consume energía térmica a alta temperatura, y en
la bomba energía mecánica.
Focos De La Bomba De Calor
La Bomba de Calor extrae energía de un medio. Mediante el trabajo externo
aportado, esta energía es cedida a otro. El medio del que se extrae la energía se
llama foco frío y el medio al que se cede se llama foco caliente.
En el esquema de la página siguiente se presentan algunos focos entre los que se
puede bombear calor.
Focos Fríos: Un foco frío ideal es aquel que tiene una temperatura elevada y
estable a lo largo de la estación en que es necesario calentar, está disponible en
abundancia, no es corrosivo o contaminante, tiene propiedades termodinámicas
favorables, y no requiere costes elevados de inversión o mantenimiento.
Aire Atmosférico: Su utilización presenta problemas de formación de escarcha.
Este problema se resuelve invirtiendo el ciclo durante pequeños periodos, lo que
supone un gasto adicional de energía. Para temperaturas por encima de 5ºC no es
necesario el desescarche.
Aire De Extracción: Esta es una fuente de calor común en edificios residenciales y
comerciales. La Bomba de Calor recupera el calor del aire de ventilación y
proporciona calefacción. Existen sistemas diseñados para trabajar con una
combinación de aire natural y de aire de extracción.
Aguas Naturales: Se pueden utilizar como focos fríos las aguas de ríos, lagos,
aguas subterráneas o del mar. La eficiencia obtenida con este foco es muy elevada
y no presenta problemas de desescarche. La temperatura del agua del mar a cierta
profundidad (25-50 m) es constante (5/8ºC) e independiente de cambios
climáticos en el exterior, además la congelación no tiene lugar hasta -1 ó -2ºC.
Cuando se utiliza agua del mar hay que prever problemas de corrosión y de
proliferación de algas.
Energía Solar: Consiste en la captación de energía solar mediante paneles solares,
en combinación con la Bomba de Calor.
Energía Geotérmica Del suelo y Subsuelo: Estas bombas se suelen utilizar en
climas fríos donde las temperaturas extremas no permiten el funcionamiento de
bombas que utilicen como foco frío el aire exterior. Para aprovechar la energía del
suelo es necesario un sistema de tuberías. Estas instalaciones tienen un coste
elevado, y requieren una gran superficie de terreno.
Energías Residuales y Procedentes De Procesos: Como foco frío se pueden
utilizar efluentes industriales, aguas utilizadas para enfriar procesos de la industria
o de los condensadores de producción de energía eléctrica, aguas residuales, etc.
Son fuentes con una temperatura constante a lo largo del año. Los principales
problemas para su utilización son la corrosión y obstrucción del evaporador como
consecuencia de las sustancias contenidas en las mismas.
Focos Calientes
Aire: El calor obtenido del foco frío se cede al aire que pasa directamente a la
habitación o es forzado a través de un sistema de conductos.
Agua: Apropiados para la producción de agua para calefacción o agua caliente
sanitaria y procesos industriales. A través de un sistema de tuberías se distribuye a
radiadores especialmente diseñados, a sistemas de suelo radiante o a fan-coils.
Componentes de la bomba de calor
Compresor: Eleva la presión del vapor refrigerante desde una presión de entrada a
una presión de salida más alta. Se pueden clasificar en dos grandes grupos:
compresores volumétricos o de desplazamiento positivo, que pueden ser
alternativos o rotativos, y compresores centrífugos.
En cuanto al acoplamiento motor-compresor pueden ser:
Abiertos: El motor y el compresor son independientes. Los ejes se acoplan
en el montaje asegurándose la estanqueidad en el paso del eje.
Semiherméticos: El compresor y el motor comparten el eje. Parte del calor
generado en el motor se recupera en el fluido refrigerante, con lo que el
rendimiento es superior al de los abiertos.
Herméticos: El motor y el compresor, además de compartir el eje, se
alojan en la misma envolvente, con lo que la recuperación del calor
generada en el motor es mayor.
En las Bombas de Calor eléctricas se utilizan compresores herméticos para
potencias inferiores a 60-70 kW, para potencias superiores, (normalmente Bombas
de Calor aire-agua) se utilizan compresores semiherméticos. Únicamente se
utilizan compresores abiertos en aplicaciones aisladas y nunca en equipos de serie.
En las Bombas de Calor accionadas mediante motor de gas el compresor es
abierto. El compresor lleva incorporado un embrague electromagnético qué
permite la regulación de la potencia en función de la demanda térmica.
Las bombas de calor de gas suelen disponer de un motor de cuatro tiempos con un
compresor alternativo abierto.
Alternativos: Los alternativos húmedos están compuestos por un número variable
de cilindros en el interior de los cuales se desplazan pistones que comprimen el
fluido. Los cilindros se suelen disponer en posición radial. El fluido entra y sale
de ellos por válvulas accionadas por la presión diferencial entre ellos. Disponen de
un sistema de lubricación mediante aceite a presión.
Este circuito de aceite actúa también como refrigerante. La refrigeración mediante
aceite presenta problemas de ensuciamiento del fluido refrigerante con aceite que
puede penetrar en el interior del cilindro.
Los alternativos secos consiguen presiones de salida más elevadas que en los
anteriores, ya que la compresión tiene lugar en varias etapas. Se extrae el calor
generado en la compresión mediante circuitos de agua en las etapas entre
compresiones.
La estanqueidad entre cilindro y pistón se logra mediante segmentos muy
resistentes que no requieren refrigeración, a base de materiales como el
politetrafluoro etileno. Este tipo de compresores tiene un costo más elevado y
desarrollan mayores potencias.
Compresor Alternativo
Rotativos: El compresor de tornillo seco consiste en dos rodillos con un perfil
helicoidal, uno macho y otro hembra que giran con sus ejes paralelos. Al girar, el
espacio entre ellos primero aumenta, generando una depresión mediante la que se
aspira el fluido, y posteriormente se reduce comprimiendo el fluido. Al no existir
contacto entre los rotores no es preciso lubricar con aceite, sin embargo sí es
necesaria una refrigeración auxiliar. En el caso del compresor de tornillo húmedo
se inyecta aceite a presión entre los rotores para conseguir lubricación y
refrigeración. Los compresores de tornillo se utilizan en generación de potencias
térmicas muy elevadas a partir de 500 kW y suelen ser semiherméticos.
Compresor Rotativo
Espiral o Scroll: Los compresores de espiral o scroll se utilizan para potencias
térmicas de hasta 30 kW. El refrigerante se comprime por la variación del
volumen causada por una espiral giratoria. Son herméticos y permiten la
aspiración y descarga simultánea del refrigerante sin necesidad de una válvula. La
reducción de partes móviles mejora el desgaste y en consecuencia la duración de
estos equipos.
Compresor De Espiral o Scroll
Swing: Los compresores swing se utilizan en equipos de baja potencia térmica
(hasta 6 kW). Son rotativos herméticos y consiguen la variación del volumen
mediante un pistón rodante.
Centrífugos: Suelen tener varias etapas de manera que consiguen grandes saltos de
presión y se destinan a equipos de gran potencia.
Condensador
Se pueden clasificar en:
Condensadores Que Ceden El Calor Del Fluido Refrigerante Al Aire: Estos
condensadores suelen ser de tubos de cobre con aletas de aluminio que
incrementan la transmisión de calor. Adicionalmente estas baterías disponen de
ventiladores que inducen la circulación del aire a calentar entre las aletas del
condensador.
Condensadores Que Ceden El Calor Del Fluido Refrigerante Al Agua
Pueden ser:
Cambiadores de doble tubo en contracorriente:
El fluido refrigerante circula por el espacio entre tubos donde se condensa,
mientras que el agua a calentar circula por el tubo interior. El material empleado
para la fabricación de los tubos es el cobre, y se suele emplear en equipos de
potencia térmica de 100 kW. Presenta problemas de mantenimiento por la
dificultad de la limpieza.
Multitubulares horizontales
El fluido refrigerante se condensa en el interior de los tubos de cobre que se
encuentran arrollados dentro de una carcasa por donde circula el agua. La carcasa
suele ser de acero con tapas de fundición. Debido a las características del agua
puede ser necesario que los tubos del condensador sean de acero inoxidable o de
aleación de níquel.
Evaporador: Según el estado del vapor de refrigerante a la salida del evaporador
estos se clasifican en:
De Expansión Seca: El vapor que se introduce en el compresor está ligeramente
sobrecalentado y hay ausencia total de líquido. Estos evaporadores se emplean
con compresores centrífugos donde dada la elevada velocidad, la presencia de
gotas de líquido dañaría los álabes.
Inundados: El vapor que entra en el compresor se encuentra saturado y puede
incluso contener gotas de líquido.
Según el fluido del que extraiga el calor, los evaporadores pueden ser:
Evaporadores De Aire: Las baterías evaporadoras son similares a las
condensadoras. Disponen de una serie de tubos por los que circula el fluido
refrigerante y una carcasa donde se alojan estos tubos y donde se fuerza la
corriente de aire desde el exterior con la ayuda de unos ventiladores. Estos
ventiladores pueden ser axiales o centrífugos. Los centrífugos son capaces de
impulsar mayores caudales de aire y presentan menores niveles sonoros. Cuando
la temperatura en la superficie de los tubos del evaporador disminuye por debajo
del punto de rocío del aire se produce el fenómeno de la condensación y si se
reduce aún más la temperatura el escarchado. El escarchado incide negativamente
en los rendimientos por dos motivos: pérdida en la superficie de intercambio, y
pérdida de carga en el flujo de aire a través del conjunto de tubos. Por esta razón
las Bombas de Calor disponen de dispositivos de desescarche incorporando
resistencias en el evaporador o invirtiendo el ciclo durante periodos reducidos de
tiempo.
Usos De La Bomba De Calor
El principio de la bomba de calor se utiliza en sistemas de climatización o HVAC,
así como en sistemas domésticos de aire acondicionado, dado que el ciclo
reversible que tiene este sistema otorga la posibilidad tanto de extraer como de
ingresar energía al medio "enfriar" o "calentar" con un mismo equipo, controlando
arranques, paradas y el ciclo reversible en forma automática. Gracias a su
versatilidad, es posible encontrar bombas de calor tanto para calentar una piscina
como para controlar el ambiente de un invernadero.
En la actualidad, y en pos del ahorro energético, cada vez es más usual encontrar
arreglos de bombas de calor asistidos por colectores solares y en sistemas
geotérmicos. Sus ventajas fundamentales son su consumo. El ahorro de energía,
que es lo mismo que decir, ahorro de dinero.
GENERADOR DE VAPOR
La función principal del sistema generador de vapor es la de transformar en calor
el contenido energético (químico o nuclear) relativo al combustible, que se utiliza
en producir vapor a alta presión y temperatura.
La amplia variedad de las fuentes de combustibles de las altas temperaturas de los
procesos del gran número de interfaces del sistema hacen que la fase de diseño sea
complicada. Los pasos iniciales en la evaluación del sistema de generación de
vapor son:
La necesidad del suministro energético o de la fuente de vapor adicional
La selección del combustible y del tipo de sistema productor de vapor más
económicos
La ubicación de la planta
El ciclo energético y las características del vapor de proceso que se desean.
Los requerimientos principales se pueden clasificar en:
Flujos mínimos, medio y máximo del vapor, la necesidad de una o más
etapas de vapor recalentado, la utilización del vapor por el equipo auxiliar
y otros requerimientos.
Fuente de aporte del agua a renovar, como consecuencia del vapor
consumido, y su tratamiento químico y temperatura antes de introducirla
en el generador de vapor.
Tipos de combustibles considerados y sus características, incluyendo el del
peor supuesto, junto con su análisis químico inmediato, bien de cada
combustible o de mezclas de los mismos.
Altura de la planta sobre el nivel del mar, historia y previsiones
climatológicas globales, posibilidad de terremotos, limitación de espacios,
etc.
Requerimientos de control de emisiones locales, comarcales, y estatales,
así como toda la legislación y normas gubernamentales aplicables.
Los tipos de equipos auxiliares, eficiencia global de la planta y de la
caldera, accesos, penalizaciones a considerar en las evaluaciones, modos
operativos previstos incluyendo los requisitos en ciclicidad, como el
servicio de carga punta intermedia y probable uso futuro de la planta. Una
vez establecidos estos requerimientos, comienza el diseño y evaluación de
la caldera de vapor.
Generador de vapor Zimmer de carbón pulverizado para planta energética
de 1300 MWe.
Caldera para planta energética quemando 680 Tm/día de residuos en masa
incandescente
Para cumplir con los requerimientos de funcionamiento de un generador de vapor,
se puede utilizar el método de iteración múltiple en el que siempre es muy difícil
encontrar una solución directa, debido a la complejidad real y a las interacciones
que se presentan. El proceso de iteración comienza por presuponer una solución y
un sistema particular, para el que se definen condiciones tales como:
Requisitos de flujo de vapor
Fuentes de combustibles
Dinámica funcional
Límites de emisiones, etc.
A partir de estos datos, se evalúa el generador de vapor teniendo en cuenta
diferentes opciones, y la necesidad de equipos para atender las características
funcionales que se hayan fijado.
Para una caldera que queme carbón, el método incluye:
Los requisitos de suministro de vapor, para definir las entradas de
combustible aire agua así como las condiciones de salida que se deriven
de esas entradas
El cálculo de los balances térmicos y, en particular, la absorción de calor
de cada tipo de superficie intercambiadora integrada en el generador de
vapor.
El cálculo de la combustión para definir el aporte de calor y los flujos de
gases, (aire y humos)
La configuración del sistema de combustión para completar el proceso,
minimizando las emisiones, que afecta a la preparación del combustible, a
la combustión y a la manipulación del aire comburente
La configuración del hogar de las superficies de transferencia térmica
atendiendo a temperaturas, materiales y relaciones características
funcionales del sistema global
El dimensionado de los demás componentes, tanto del lado del agua,
como del lado del vapor
Las zonas de recuperación de calor en los intercambiadores finales, como
los economizadores y los calentadores de aire,
La comprobación de las características funcionales del sistema generador
de vapor para asegurar que se cumplen los criterios de diseño de todos sus
equipos auxiliares
La repetición de los pasos anteriores, para todo el campo de cargas
especificado, hasta que se alcancen el flujo y las condiciones de presión y
temperatura del vapor
La utilización, en el diseño de las partes a presión, de las normas del
Código ASME
El equipo de protección medioambiental necesario para alcanzar los
niveles obligados de emisiones, y otros equipos auxiliares, como el
sistema de limpieza de las superficies intercambiadoras los ventiladores la
instrumentación de control, etc.
Una consideración a tener en cuenta radica en el ciclo de vida de la unidad
generadora de vapor y de sus diferentes sistemas auxiliares; en la actualidad,
algunos generadores de vapor se construyen para que puedan funcionar de forma
eficiente y fiable durante 60 años, período en el que los componentes se deterioran
a causa del medio ambiente agresivo o habrán quedado obsoletos.
Para garantizar una determinada fiabilidad, se precisa de inspecciones rutinarias
de las partes a presión. Los procesos funcionales transitorios de la unidad, que
influyen en la reducción de vida de ésta, se monitorizan.
Las prácticas operativas, que incluyen el tratamiento de aguas en todos sus niveles
los procedimientos de funcionamiento cíclico los programas de mantenimiento
pueden afectar significativamente a la disponibilidad y fiabilidad del generador de
vapor y sus auxiliares.
Los componentes principales de la unidad generadora de vapor tienen que ser
susceptibles de poderse modernizar para mejorar las características funcionales
del generador de vapor, decisiones que se tienen que tomar en la fase de diseño.
Configuración Del Sistema
La mayoría de las aplicaciones de la generación de vapor se destinan a los
sectores de:
Producción de electricidad
Suministro de vapor a procesos.
A veces se emplean, al mismo tiempo, combinaciones de estas dos aplicaciones, y
se habla entonces de la cogeneración.
En toda aplicación de vapor, el generador constituye el componente más
importante del sistema, estando integrado por otros subsistemas y componentes de
una planta de generación de energía que quema carbón, que comprenden:
La recepción y preparación del combustible
El generador de vapor
El equipo de combustión
La protección medioambiental
El grupo turbina-alternador
El equipo de eliminación de calor residual, incluyendo la torre de
refrigeración
El recorrido del combustible de los productos de combustión.
Se puede seguir teniendo en cuenta que:
El sistema de manipulación de combustible comprende su suministro, su
preparación para la combustión y su transporte hasta el generador de
vapor
El sistema de aire asociado suministra el comburente a los distintos
quemadores, por medio de un ventilador de tiro forzado
El subsistema del generador de vapor, (que incluye el calentador de aire),
quema la mezcla combustible-aire, recupera el calor liberado y genera el
vapor a alta presión y temperatura
Los humos abandonan el calentador de aire y pasan a través de los
subsistemas de separación de partículas y de eliminación de SO2 para
retener los contaminantes
La ceniza y los residuos sólidos del depurador de humos se evacúan.
Los humos se envían a la chimenea con ayuda de un ventilador de tiro
inducido.
El generador de vapor vaporiza el agua y suministra vapor a alta temperatura y
presión, en condiciones controladas.
A continuación, el vapor se lleva a la turbina conectada a un alternador que se
encarga de generar electricidad.
Una vez expansionado el vapor en la turbina, pasa al condensador, en el que se
evacúa su calor residual, condensando.
Perspectiva de una planta de generación de energía que quema carbón
Antes de que el condensado retorne a la caldera, el agua procedente del
condensador pasa a través de varias bombas y calentadores de agua, para
incrementar su presión y temperatura. El calor absorbido en el condensador se
evacua a la atmósfera por medio de torres de refrigeración, que son los
componentes más visibles de toda instalación de producción de energía. La torre
de refrigeración de tiro natural es una estructura casi cilíndrica hueca, por cuyo
interior circula aire ascendente y agua pulverizada descendente, que cede el calor
evacuado por el condensador al aire que circula; estas torres, en distintas
versiones, existen en la mayoría de los emplazamientos de las modernas plantas
generadoras de energía eléctrica. En una instalación de energía nuclear, la
manipulación de carbón de una planta de combustible fósil se sustituye por un
dispositivo para la manipulación y almacenaje de los paquetes de barras del
combustible nuclear. En una planta nuclear de producción de electricidad, no se
precisan los grandes equipos requeridos para el control de la contaminación
atmosférica, característicos de las centrales de combustible fósil.
Influencia de la fuente energética.
El combustible principal seleccionado es el que tiene más influencia sobre
la configuración y el diseño del generador de vapor.
En el caso de la energía nuclear, se ha desarrollado un sistema único para contener
el combustible y los productos de la reacción nuclear, dando especial importancia
a la seguridad y protección pública a la exposición radiactiva. Como puntos
vitales en el diseño del sistema se deben tener en cuenta:
Unas características aceptables en los materiales, frente al medio ambiente
de la radiación
Unas determinadas características termohidráulicas y mecánicas,
mantenidas a largo plazo
Las previsiones para la manipulación y preparación de combustibles fósiles,
biomasa y subproductos, varían mucho en lo que respecta a su combustión,
recuperación de calor, ensuciamiento de las superficies intercambiadoras,
corrosión de los materiales y control de las emisiones efluentes de la planta.
Por ejemplo, para una unidad que quema gas, en lo que atañe al sistema de
almacenamiento y manipulación del combustible, se tienen unas necesidades
mínimas; sólo se precisa de un pequeño hogar para su combustión y se pueden
utilizar superficies intercambiadoras que estén poco espaciadas, ya que no hay
deposición de cenizas.
El sobre espesor de corrosión de la unidad que quema gas, que se contempla en
todo el diseño, es relativamente pequeño y el control de emisiones se reduce
finalmente al NOx térmico formado en la combustión, resultando un diseño
relativamente pequeño, compacto y económico.
Cuando se utiliza un combustible sólido, como el carbón, que tiene un notable
nivel de cenizas, el sistema global es siempre mucho más complejo, debiendo
tener en cuenta que:
El sistema tiene que incluir instalaciones de manipulación y
almacenamiento del combustible
Se precisa un hogar mucho mayor para poder completar la combustión y
unas superficies intercambiadoras que tienen que estar mucho más
espaciadas que en el caso precedente del gas.
Esquema de planta energética que quema gas
Esquema de planta energética que quema carbón
Hay que contar con equipamiento adicional, como:
El de limpieza (para reducir el efecto del ensuciamiento y de la corrosión)
El de calentamiento de aire, que se destina a secar el combustible y que ha
de servir como aire caliente comburente para la mejora de la combustión
El de recogida y evacuación de residuos sólidos
La influencia del combustible en una caldera destinada a una planta de producción
de electricidad,
Influencia de las condiciones del vapor
La presión y temperatura del vapor producido en los diversos tipos de
generadores, tienen gran influencia en el diseño de los mismos.
La energía que se precisa para la vaporización se reduce incrementando la presión
de la operación, por lo que las superficies intercambiadoras (en general
configuradas por tubos), pueden ser muy diferentes.
Presurizador
Generador de vapor
Caldereta Bomba de refrigeración
Fundamentos De la Generación de Vapor
Vaporización
Si se dispone de una caldereta con agua a la que se aplica calor, la temperatura del
agua se incrementa y, para una presión dada, se alcanza la temperatura de
vaporización, (saturación), comenzando la formación de burbujas en el seno del
agua que se está calentado. Si el aporte de calor continúa, la temperatura
permanece constante, el proceso de vaporización continúa y el vapor escapa por la
superficie libre del líquido. Si el vapor se elimina del recipiente de modo
continuado, la temperatura se mantiene constante, hasta que se haya vaporizado
toda el agua; a partir de este momento, si se mantiene el aporte de calor se
incrementan la temperatura de la caldereta y la del vapor que queda en el interior
de la misma. Para tener un proceso de vaporización continuo, es necesario un
suministro regular de agua hacia la caldereta, igual a la cantidad de vapor
producido y evacuado.
Vaporización en Tubos
Consiste en calentar tubos de diámetro relativamente pequeño, por los que circula
un flujo de agua. El agua subenfriada (a una temperatura por debajo de la de
saturación), entra en un tubo al que se le aplica calor. Conforme fluye por el tubo,
el agua se calienta hasta su punto de vaporización, se forman burbujas y se
produce vapor húmedo. En la mayoría de las calderas que utilizan el tubo
vaporizador se obtiene una mezcla de vapor-agua, que entra en un recipiente de
grandes dimensiones (calderín de vapor), en el que el vapor se separa del agua; a
continuación, el agua separada se mezcla con el agua de aporte y este conjunto
retorna al tubo vaporizador.
Circulación
En un sistema de producción continua de vapor, el agua se hace circular por el
interior de los tubos en flujo natural (termo circulación) en flujo forzado
(bombeo).
Componentes del generador de vapor de combustible fósil
Los modernos generadores de vapor están constituidos por configuraciones de
secciones termohidráulicas complejas, con flujos de vapor y agua, que calientan y
vaporizan el agua sobrecalientan el vapor estas superficies de intercambio térmico
se disponen de forma que:
El combustible se queme completa y eficientemente, minimizando las
emisiones posibles
El vapor se genere a los valores especificados de caudal, presión y
temperatura
La energía se recupere en la mayor cuantía posible
Los principales componentes del sistema de generación de vapor recuperación del
calor incluyen:
El hogar y el paso de convección o zona recuperadora de calor
Los sobre calentadores de vapor, primario y secundario
El recalentador de vapor
La caldera o banco vaporizador (en calderas industriales)
El economizador
El calderin de vapor
El atemperador y el sistema de control de la temperatura
El calentador de aire componentes que están formados por un número de
equipos auxiliares, como:
Molinos de carbón
Sistema de combustión
Conductos de humos y aire
Ventiladores
Equipo de limpieza del lado de humos
Equipo de evacuación de cenizas
Hogar: Es un espacio libre, amplio y cerrado, para la combustión del combustible
y la refrigeración de los humos, antes de que entren en el paso de convección o
zona de recuperación.
Sobre calentadores y recalentadores: Se diseñan en forma de bancos de tubos
alineados que incrementan la temperatura del vapor saturado; son
intercambiadores de una sola fase, con flujo de vapor por el interior y flujo de
humos por el exterior, en flujos cruzados. Se fabrican con aceros aleados, por las
altas temperaturas de operación y están configurados para controlar:
La temperatura de salida del vapor
El mantenimiento de la temperatura del metal dentro de límites aceptables
La caída de presión en el flujo del vapor
La diferencia principal entre un sobre calentador y un recalentador radica en:
La posición (primero el sobre calentador)
En la presión del vapor
En una caldera con calderín, si la presión de salida del sobre calentador es de 180
bar, la presión de salida del recalentador sería de sólo 40 bar.
Banco de caldera: La superficie intercambiadora del hogar puede resultar escasa
para generar el vapor requerido por la aplicación final, por lo que se puede añadir
un banco de caldera o banco vaporizador, que es necesario en muchas calderas
industriales pequeñas (de baja presión), no siéndolo en las de alta presión que
equipan las plantas termoeléctricas.
El banco de caldera se compone de:
Un calderín de vapor en la parte superior
Un calderín de agua en la parte inferior
Una serie de tubos que conectan ambos calderines
Economizador: Es un intercambiador de calor de flujos en contracorriente que
recupera la energía residual de los humos, aguas abajo del sobre calentador, y del
recalentador, incrementando la temperatura del agua del sistema que entra en el
calderín de vapor.
Calderín de vapor: Es un recipiente cilíndrico de grandes dimensiones, con un
diámetro de 0,9÷ 1,8 m y longitud que llega a los 30 m, ubicados en la parte alta
de la caldera, en el que el vapor saturado se separa de la mezcla vapor-agua que
sale de los tubos de la caldera.
Sistemas de flujos
Sistema del flujo agua-vapor:
Los componentes del circuito agua-vapor se disponen para la consecución del
sistema más económico posible, con vistas a un determinado suministro continuo
de vapor.
Sistemas de combustión y auxiliares: En los generadores de vapor que queman
carbón, la mayoría de los componentes no integrados en el sistema de vapor y sus
auxiliares, forman parte de sistemas de preparación del combustible de la
combustión pudiéndose citar los siguientes:
Preparación de combustible: alimentadores pulverizadores de carbón
Sistemas de combustión: quemadores, detectores de llama, ignitores, controles,
cajas de aire, etc.
Manipulación de aire/humos: ventiladores, conductos de aire, conductos
de humo, cortatiro, sistemas de medida y control, silenciadores, etc.
Otros componentes y auxiliares: sopladores (equipo de limpieza de
superficies intercambiadoras, lado humos), equipo de captación y
manipulación de ceniza, equipo de control y monitorización
El sistema de combustión tiene una gran influencia sobre el diseño global del
hogar. Los quemadores habituales, generalmente dispuestos en paredes. Todas las
unidades modernas que queman carbón, aceite o gas, están dotadas con
quemadores montados en paredes, aunque también se utilizan otros sistemas de
combustión, como
Diversos tipos de hogares mecánicos
Hogares ciclones
Unidades de combustión en lecho fluidificado en los que hay que procurar
El control de la formación y emisión de posibles contaminantes
Una combustión completa
Manipular la ceniza contenida en el combustible
Las características del combustible juegan un papel fundamental frente a cómo se
pueden cumplimentar estas funciones, y en el diseño y dimensionamiento de cada
componente del equipo.
