Carrera:INGENIERIA EN PREVENCION DE

RIESGOS

Ramo:CALDERAS – Conceptos Básicos

PROFESOR: Iván Vargas Díaz-Muñoz

UNAB

Educación: Desinfección

Fabricación alimentos en conserva y cecinas (Cocción)

Fabricación de bebidas gaseosas y alcohólicas (Lavado botellas)

Fabricación piezas de caucho (Conformado)

Industria Textil (Teñido y lavado)

Generación eléctrica (Movimiento turbinas)

Fabricación Fósforos (secado)

Etc.,

ACTIVIDADES ECONÓMICAS DONDE SE USAN LAS CALEDRAS:

CALDERA: En términos prácticos, la caldera es un elemento que transforma el agua (con ciertas características) en vapor utilizable para diversos fines industriales, sociales, energéticos, etc. Cuando a este elemento le agregamos accesorios estamos en presencia de un generador de vapor.

DEFINICION:

CA

LOR

AGUA

VAPOR

CALDERA

+ACCESORIOS

GENERADOR DE VAPOR

DEFINICION GRAFICA:

Vapor: Para efectos de este curso, denominaremos vapor a la fase gaseosa del componente químico llamado agua (vapor de agua). Este elemento es incoloro (sin color) e inodoro (sin olor). Su estado está definido por tres (3) parámetros:

• Presión• Volumen• Temperatura

DEFINICION:

•Presión (P): El esfuerzo (fuerza F) ejercido por un cuerpo sobre la superficie (S) de otro cuerpo, ya sea por peso (gravedad) o mediante el uso de fuerza. Se le mide como fuerza en un área, tal como kilos / cm2.

DEFINICION:

F

SP = ___F

A

ancho

largo

• Presión: Se deben distinguir diferentes tipos de presiones:

1.- Presión Absoluta (Pabs). 2.- Presión Atmosférica (Patm). 3.- Presión Manométrica (Pman). 4.- Presión Vacuométrica (Pvac)

DEFINICION:

•Presión: Relación entre las diferentes tipos de presiones:Pabs = Patm + Pman Pabs = Patm + (- Pvac)

DEFINICION:

Presión Manométrica

Presión Vacuométrica

Presión Absoluta

Presión Atmosférica

Presión

•Volumen: El volumen es la medida del espacio ocupado por un cuerpo. El volumen de los cuerpos es el resultado de sus tres dimensiones: ancho, alto y profundidad.

DEFINICION:

Vcubo=(3cm)3 = 3x3x3 cm3 = 27cm3

Vparalelepípedo=(2 cm x 3 cm x 6 cm) = 36 cm3

El volumen resulta de la relación entre peso (masa) y densidad ya que la densidad se define como el cociente (división) entre la masa y el volumen.

DEFINICION:

D= ___MV

Donde:D : Densidad (Kg/cm3)Masa : Masa (kg)V : Volumen (cm3)

ACEITE

AGUA

ARENA

Sustancia Densidad en kg/m3

Densidad en g/c.c.

Agua 1000 1Aceite 920 0,92

Gasolina 680 0,68Plomo 11300 11,3Acero 7800 7,8

Mercurio 13600 13,6Madera 900 0,9

Aire 1,3 0,0013Butano 2,6 0,026

Dióxido de carbono 1,8 0,018

DEFINICION:Diferentes densidad es de algunas sustancias:

•Temperatura: La magnitud física que se emplea para medir en términos físicos las sensaciones de caliente y frío se denomina temperatura. Existen muchas escalas, siendo la más utilizada la graduada en grados Celsius (°C):

DEFINICION:

Conversión de Unidades de Temperatura:

Celsius = ( Fahrenheit - 32 ) * 5/9Fahrenheit = Celsius * 9/5 + 32Kelvin = Celsius + 273.15Celsius = Kelvin - 273.15Fahrenheit = Kelvin * 9/5 - 459,67Kelvin = ( Fahrenheit + 459,67 ) * 5/9

Ejercicios (*)

Se coloca un recipiente con una masa m de agua sobre un hornillo eléctrico de potencia P. La temperatura inicial del agua es Ta, la temperatura ambiente (20° C). A medida que transcurre el tiempo, se va elevando la temperatura del agua, hasta que entra en ebullición a 100 ºC en el instante t1.P·t1=m·c·(100-Ta)

PROCESO DE CAMBIO DE FASE DEL AGUA (SIN PÉRDIDAS)

El agua se evapora, disminuyendo el nivel de agua en el recipiente  en el instante t se habrá evaporado una masa me de agua P·(t-t1)=me·Lv

donde Lv es el calor de evaporación del agua

CALOR SENSIBLE

CALOR LATENTE

PROCESO DE CAMBIO DE FASE DEL AGUA (SIN PÉRDIDAS)

PROCESO DE CAMBIO DE FASE DEL AGUA (SIN PÉRDIDAS)

CALOR SENSIBLE

CALOR LATENTE

PROCESO DE CAMBIO DE FASE DEL AGUA

Se genera de la transformación del agua líquida a gas (vapor), a través de la adición de calor. Es decir se altera la composición física de su estado interno.Este cambio de fase se produce de dos maneras, llamándose a este proceso en términos generales como VAPORIZACION:

EvaporaciónVaporización:

Ebullición

ENERGIA

DEFINICIÓN: La capacidad para producir un efecto se denomina energía. Ejemplos:

•Ruido tenue•Movimiento de una partícula ligera•Producción de una onda •actividades cotidianas •etc.

Existen diferentes tipos de energía:•Energía Cinética•Energía Potencial•Energía Interna

ENERGIA

DEFINICIÓN: Energía Cinética (Ec) corresponde a la energía que posee una masa debido a su velocidad. Todo cuerpo en movimiento posee energía cinética. Se expresa matemáticamente como:

Ec = ½ * m * v2

Donde:m : masa del cuerpov : velocidad del cuerpo

ENERGIA

DEFINICIÓN: Energía Potencial (EP) corresponde a la energía que posee una masa cuando se halla sometida la acción de un campo gravitatorio. En otras palabras, esta energía está asociada a la altura. Se expresa matemáticamente como:

Ep = m * g * h

Donde:m : masa del cuerpog : aceleración de gravedad (9,8 m/s2)

aceleración de gravedad terrestre) (?)h : altura a la que se halla situado el cuerpo

ENERGIA

Relación entre Energía Potencial (EP) y Energía Cinética (Ec):

Siempre que un cuerpo (m) se encuentre a una altura h, tendrá una Energía Total igual a:

ET = EP + Ec = (m * g * h) + (½ * m * v2 )

h

m

Donde si:v = 0 (está en reposo), entonces:ET = Ep

ENERGIARelación entre Energía Potencial (EP) y Energía

Cinética (Ec):

Si el cuerpo comienza a caer, cuando vaya a la altura h1, llevará una velocidad v1, por lo tanto tendrá una Energía Total igual a:

ET = EP + Ec = (m * g * h1) + (½ * m * v12 )

h1

m

ENERGIA

DEFINICIÓN: Energía Interna corresponde a la energía que posee un cuerpo debido a su actividad molecular. Cuánto mas elevada sea la temperatura, mayor es la actividad molecular y más grande es a su vez la energía interna.

Se expresa en kilocalorías por unidad de masa (Kcal/kg)

ENERGIA

DEFINICIÓN: Calor (Q)Es energía que fluye en virtud de una diferencia de temperatura. Consideremos la siguiente situación, dos cuerpos A y B:

A B

Temperatura del cuerpo A = ta

Temperatura del cuerpo B = tb

Donde: ta > tb, por lo tanto:

CALOR

“Siempre el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor

temperatura”

ENERGIAEl calor es una forma de energía y en consecuencia se mide en las mismas unidades:- Calorías (cal)- Kilocalorías (Kcal)- Unidad Térmica Británica (BTU) (British Thermal Unit)

Equivalencias entre diferentes unidades de medición del calor:

1 kcal = 1000 cal = 3,97 BTU1 BTU = 0,252 Kcal = 252 cal.

Ejercicios (*)

200 kcal = x BTU0,252 BTU = x Kcal = cal

200 kcal = 794 BTU = 200.000 cal0,252 BTU = 0,063504 Kcal = 63,504 cal

ENERGIATipos de Calor:

1.- Calor Sensible (Cs): Se llama a la cantidad de calor necesario para calentar un litro (1 kilo de agua) desde 0°C hasta 100°C. Si partimos de un litro de agua a 0°C, se necesitarán 100 kcal para elevar la temperatura del agua hasta 100°C, o sea, que un litro de agua hirviendo tiene un calor igual a 100 kcal, que es su calor sensible.

2.- Calor latente (Cl): Para transformar un litro (1 kilo) de agua de 100°C en vapor de 100°C se necesitan 537 kcal. Este fenómeno de alta absorción de calor es el usado para la calefacción en general, ya que el vapor al condensarse devuelve dicho calor. Esto se llama calor latente.

ENERGIA3.- Calor Total de Vaporización (Ctv): Se entiende por tal a la cantidad de calor necesaria para transformar un litro (kilo) de agua de 0°C en vapor de 100°C.

Por lo tanto:Ctv = Cs + Cl

Para litro (kilo) de agua: A presión atmosférica el calor total de vaporización tiene un valor de 637 Kcal.

Esta cantidad de calor aumenta muy poco, aunque se le aumente la presión. A presión de 7 kg/cm2 el vapor contiene 660,9 Kcal, y a 20 kg/cm2, sólo 673,3 Kcal.

ENERGIACalor Específico (C): Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la masa de 1 kg de sustancia. Unidades: (Kcal/ (Kg * °C))

En términos matemáticos, la fórmula para determinar calor es:

Q = m * C * T

Donde:- m : masa de la sustancia (kg)- C : Calor Específico de la sustancia (Kcal/ (Kg * °C))- T : diferencia de temperatura (°C) entre la temperatura Final (Tf) y la temperatura Inicial Ti, es decir:

T = Tf - Ti

EJERCICIOS:

SOBRE CONCEPTOS BÁSICOS

EJERCICIOSUn cuerpo de masa m = 4,5 kg. se encuentra suspendido a 17,3 m de altura. Calcule su Energía Total.

Solución:ET = EP + Ec = (m * g * h) + (½ * m * v2 )

ET = EP + Ec = (4,5 * 9,8 * 17,3) + (½ * 4,5 * 02 )

ET = 762,93 Kg * m2

s2( )17,3 m

m

ET = 762,93 (Joule)

EJERCICIOSUn cuerpo de masa m = 4,5 kg. se encuentra cayendo desde una altura de 17,3 m de altura. En el momento 1, se encuentra a una altura de 10 m del suelo y con una velocidad de 11,96 (m/s). Calcule su Energía Total.

Solución:ET = EP + Ec = (m * g * h) + (½ * m * v2 )

ET = EP + Ec = (4,5 * 9,8 * 10) + (½ * 4,5 * 11,962 )

ET = 441 + 321,93 Kg * m2

s2( )h1= 10 m

m

ET = 762,93 Kg * m2

s2( )ET = 762,93 (Joule)

EJERCICIOSUn cantidad de 3,5 Kg. de agua se calienta de 19°C a 100°C. Si el calor específico del agua es: C = 1 (Kcal/(Kg*°C)), se pide determinar el calor sensible transmitido.

Solución:Q = m * C * T

Q = 3,5 * 1 * (100 – 19)

Q = 283,5 (Kcal)

EJERCICIOSLa misma cantidad cantidad de 3,5 Kg. de agua se enfría ahora de 100°C a 10°C. Si el calor específico del agua es: C = 1 (Kcal/(Kg*°C)), se pide determinar el calor transmitido. Interprete el resultado.

Solución:Q = m * C * T

Q = 3,5 * 1 * (10 – 100)

Q = - 315 (Kcal)

El agua cedió calor (signo (-))