Modulo 2.1 Conceptos Basicos

1

MODULO 2.1

CONCEPTOS BASICOS

PRESENTADO POR:

Msc. ALBUJAR ESCUDERO MASAS GABRIEL ([email protected] Cel:996661152)

LIMA-PERU

2014

COLEGIO DE INGENIEROS DEL PER

CONSEJO DEPARTAMENTAL DE LIMA

CAPTULO DE ING. MECNICA Y MECNICA ELCTRICA

Msc. MASIAS GABRIEL ALBUJAR ESCUDERO

2

CONTENIDO

I. PRESIN, MEDIDA Y UNIDADES

II. PRESIN ATMOSFERICA

III. TEMPERATURA, SU MEDIDA Y UNIDADES

IV. CALOR ESPECFICO

V. CAMBIOS DE ESTADO: VAPORIZACIN Y

CONDENSACIN

VI. TRANSMISION DE CALOR: RADIACION CONVECCIN

Y CONDUCCIN

VII. VAPOR DE AGUA SATURADO, SOBRECALENTADO,

VIII. CALOR SENSIBLE Y LATENTE

IX. RELACION ENTRE LA PRESIN Y TEMP. DEL VAPOR


COMIT DE CALDERAS


3

I. PRESION

LA PRESIN.- Es la fuerza ejercida por unidad de superficie, para el caso de calderas es

la fuerza ejercida por el fluido en la unidad de superficie de la pared del recipiente que lo

contiene.

La unidad de presin ser igual, por tanto a la unidad de fuerza dividida por la unidad de

superficie. Si adoptamos como unidad de fuerza, por ejemplo el newton y como unidad de

superficie el metro cuadrado, tenemos:

1 Pa = 1 N/m2

Esta unidad de presin se denomina pascal.

1bar = 100 kpa

Otras unidades : bar, mbar, psig,

kg/m2; kg/cm2 ; mcl, lb/plg2


COMIT DE CALDERAS

Unidad atm. bar kgf/cm2 lbf/pulg. 2 pulg. H2O

1 atmsfera 1 1,01325 1,03323 14,696 406,782

1 bar 0,986923 1 1,01972 14,5038 401,463

1 kgf/cm2 0,967841 0.980665 1 14,2233 393,701

EQUIVALENCIAS


4

I. PRESION

Para medir la presin se usa normalmente manmetros, cuyo tipo ms empleado es del

tipo Bourdon que nos indica la presin relativa a que est sometido el aparato al que est

conectado, ya que cuando est marcando el cero, el aparato en cuestin est a la presin

atmosfrica, por lo tanto la presin absoluta que se alcance en el aparato ser igual a la

indicada por el manmetro (presin relativa) ms la presin atmosfrica.


COMIT DE CALDERAS

Manmetro tipo bourdon Transmisor de presin Manmetro diferencial


5

II. PRESION ATMOSFERICA

PRESIN ATMOSFRICA.-Es la presin ejercida sobre todos los cuerpos que hay

sobre la Tierra por la masa gaseosa que rodea a sta, y que conocemos por atmsfera. Su valor disminuye con la altitud ver tabla siguiente:

PRESIN ABSOLUTA.-Es la presin que resulta de la adicin de la presin

manomtrica y la presin atmosfrica.


COMIT DE CALDERAS

( 1.01325 bar)


6

III. TEMPERATURA

TEMPERATURA.- El calor que posee un cuerpo viene dado por la suma de las energas

cinticas que poseen todas las molculas de este cuerpo. La temperatura es una medida de

este potencial energtico que tiene el cuerpo, as pues, midiendo esta temperatura, por

medio de unos instrumentos denominados termmetros nos permitir conocer la cantidad

de calor que contiene el cuerpo en cuestin.

TEMPERATURA DE DISEO.-fijada como base para realizar los clculos necesarios

para disear los distintos elementos que componen la caldera

TEMPERATURA DE SERVICIO.-es la temperatura a la que estar sometida la caldera

cuando est funcionando conectada a la instalacin


COMIT DE CALDERAS

Termmetro bimetlico


7

III. TEMPERATURA CONSEJO DEPARTAMENTAL DE LIMA

COMIT DE CALDERAS

Sensor de temperatura tipo PT 100 Controlador de temperatura

Midiendo la temperatura que tiene un cuerpo conoceremos la cantidad de calor que

contiene aplicando la frmula siguiente:

Q = Cantidad de calor (btu)

m = Masa del cuerpo (lb)

Ce = Calor especfico del cuerpo ( btu/lbF)

T = Temperatura del cuerpo ( F)

Q = m x Ce x T

= x Ce x T

= Cantidad de calor ganado o cedido (btu/h) = Flujo msico en (lb/h) Ce = Calor especifico del cuerpo ( btu/lbF)

T = variacin de la temperatura del cuerpo ( F)

(1)

(2)


8

IV. CALOR ESPECIFICO CONSEJO DEPARTAMENTAL DE LIMA

COMIT DE CALDERAS

EL CALOR ESPECFICO.- Es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa

para elevar la temperatura un grado de temperatura. Cada sustancia tiene un calor

especfico propio y que a su vez depende de las condiciones de presin y temperatura

iniciales, por lo que en la prctica se utiliza el calor especfico medio que corresponde al

valor del calor aportado por unidad de masa dividido por la diferencia de temperaturas

final e inicial.

Las unidades pueden ser: kcal/kgC ; btu/lbF

Metal

Specific Heat Capacity - cp

(kJ/kg K) (kcal/kgoC) (Btu/lbmoF)

Carbon Steel 0.49 0.12 0.12

Cast Iron 0.46 0.11 0.11

water 4.19 1 1

Btu ( british thermal unit).- Es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado F, la

temperatura de una libra de agua. Es la unidad de calor en el sistema ingles

Kilo caloria ( kcal ).- Es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado centgrado la

temperatura de un Kg. de agua. Es la unidad de calor en el sistema mtrico.


9

V. CAMBIOS DE ESTADO

CAMBIOS DE ESTADO: VAPORIZACIN Y CONDENSACIN

La materia se presenta en la naturaleza en forma de tres estados diferentes segn sea la

energa intermolecular que posea:solido,liquido y gaseoso. Si al cuerpo en estado slido le

cedemos calor, aumentar su energa interna logrando que sus molculas puedan vencer

determinadas fuerzas de cohesin obtenindose un nuevo estado de la materia, estado

lquido. Al continuar cediendo energa a este cuerpo, se llega a un punto en que la energa

molecular es superior a las fuerzas de cohesin, rompindose totalmente stas y

alcanzndose el estado gaseoso de la materia, en que no se conserva ni el volumen ni la

forma.

Vemos, pues, que aumentando la temperatura de un cuerpo ste puede pasar de slido a

lquido y a gas, y de forma inversa, al enfriarlo se recorrer el camino en sentido

contrario.


COMIT DE CALDERAS


10

VI. TRANSMISION DE CALOR

TRANSMISIN DEL CALOR: RADIACIN, CONVECCIN Y CONDUCCIN

La transmisin de calor se puede realizar de tres formas: por conduccin, por conveccin,

y por radiacin.

5.1.- CONDUCCIN: El calor se transmite por conduccin cuando no existe

movimiento de la materia en la cual se realiza esta transmisin de calor. Ejemplo: cuando

calentamos un extremo de una varilla metlica, el calor llega al otro extremo sin que haya

habido movimiento alguno de la masa que constituye la varilla.


COMIT DE CALDERAS


11

VI. TRANSMISION DE CALOR

5.2.- CONVECCIN: El calor se transmite por conveccin cuando se verifica

movimiento de la masa, o de parte de la masa, del cuerpo en que se transmite el calor, tal

como ocurre en los lquidos y en los gases. Si calentamos un lquido o gas, sus partculas

prximas al foco calorfico disminuyen su densidad y ascienden desplazando a las

partculas superiores que, en esos momentos, tienen ms densidad y, por tanto,

descienden, as se produce un movimiento circulatorio de las propias partculas que, al

trasladarse de un lado a otro, transmiten el calor.

5.3.- RADIACIN: Todos los cuerpos al

calentarse emiten radiaciones de tipo

electromagntico cuya velocidad es igual a la

velocidad de la luz. Este tipo de transmisin de

calor, debido a la emisin de estas ondas

electromagnticas, recibe el nombre de

propagacin por radiacin. Ejemplo: el sol nos

transmite su calor por radiacin, ya que las

ondas electromagnticas se propagan en el aire

e incluso en el vaco, sin requerir presencia de

materia.


COMIT DE CALDERAS


12

VII. VAPOR DE AGUA SATURADO

QUE ES EL VAPOR? Es un fluido utilizado para proporcionar fuerza motriz y energa

calorfica, es el medio natural ms usado y eficiente de transferencia de calor en la

industria Los vapores tienen caractersticas semejantes a los gases, puesto que llenan por

completo los recipientes que los contienen, pero no siguen las leyes de los gases perfectos.

El vapor de agua es un "Transportador de energa trmica" que tiene las siguientes

ventajas:

1- Se produce con agua, la cual es relativamente abundante y barata.

2- Es limpio y no tiene sabor ni olor.

3- Por sus propiedades termodinmicas, su control es relativamente sencillo.

4- Es una de las formas ms econmicas de transporte de calor ya que su capacidad de

transporte de calor por unidad de peso es muy alta.

5- Entrega su calor a una temperatura constante.

6- En muchos casos, despus de que se ha utilizado su calor, se vuelve a calentar

pudiendo usarse varias veces.


COMIT DE CALDERAS


13


El agua en determinadas condiciones de presin y temperatura se presenta en forma de

vapor.

VAPOR SATURADO.- Se dice que el

vapor es saturado cuando sus

condiciones de presin y temperatura

corresponden a un punto de cambio de

estado, de forma que en dicho punto

puede coexistir el vapor de agua y el

agua en estado lquido. En la prctica,

el vapor saturado puede ser seco si en

su seno no existe partcula alguna de

agua en estado lquido, y hmedo si en

su seno hay partculas de agua en

estado lquido.

Para una determinada presin de

saturacin solo le corresponde una

temperatura de saturacin.

VAPOR SOBRECALENTADO.- es

aquel que tiene una temperatura

superior a su condicin de saturado


COMIT DE CALDERAS


14


VAPORIZACIN.- Es el cambio de un cuerpo lquida a la fase de vapor.

EVAPORACIN.- Es la vaporizacin de un lquido que tiene lugar exclusivamente en la

superficie libre del lquido. EJEMPLO: La evaporacin del agua en el mar o en cualquier

superficie libre del lquido. La evaporacin puede tener lugar a cualquier temperatura del

lquido.

EBULLICIN.- Es la vaporizacin de un lquido que tiene lugar en el seno mismo del

lquido. Ejemplo: la ebullicin del agua en el interior de una caldera. La ebullicin de un

lquido tiene lugar a una temperatura, cuyo valor depende de la presin a que est el

lquido; mientras mayor sea est, mayor ser aquella. Una vez que empieza la ebullicin

el aumento de la temperatura se detendr hasta que el liquido se evapore por completo. La

temperatura permanecer constante durante todo el proceso de cambio de fase, si la

presin se mantiene constante.


COMIT DE CALDERAS

Diagrama de calentamiento y ebullicin

CONDENSACIN.-Es el

cambio de vapor (fase

gaseosa) a lquido con una

transferencia de calor del

vapor a la superficie de

condensacin.

Ebullicin


15

VII. VAPOR SATURADO

VOLUMEN ESPECFICO DEL VAPOR ().- Se llama volumen especfico de un cuerpo al volumen ocupado por la unidad de masa de dicho cuerpo en el caso de que ste

sea homogneo: Ahora bien, en el caso de los vapores hay que tener en cuenta que son

muy comprensibles: su volumen depende de la presin que soportan, y tambin de su

temperatura. Para estudiar la relacin que existe entre el volumen y la presin de una

masa de vapor, es necesario mantener la temperatura constante durante el estudio.

Cuando un gas se comprime sin variar su temperatura (compresin isotrmica), su

volumen V disminuye de tal modo que para una determinada masa gaseosa, el producto de

la presin P por el volumen V se mantiene constante:

Adems, tenemos que para dos estados de una misma masa de vapor, uno de presin P1 y

volumen V1 y otro de presin P2 y volumen V2, se cumple que:

y como la masa no ha cambiado (aunque s lo haya hecho su volumen), tenemos que:

P1x 1 = P2x 2


COMIT DE CALDERAS


16


CALOR SENSIBLE (QS).- Es el calor que toman o ceden los cuerpos para cambiar su

temperatura. Cuando un cuerpo cambia de temperatura, la cantidad de calor que ha

tomado o perdido se calcula con la ecuacin siguiente:


COMIT DE CALDERAS

Qs = m x Ce x T

Donde:

QS= Cantidad de calor ganado o cedido (kcal)

m = Masa del cuerpo (kg)

Ce = Calor especifico del cuerpo ( kcal/kgC)

T = Variacin de la temperatura del cuerpo ( C)

El calor especifico depende del material

.(3)


17


CALOR LATENTE(QL).- Es la cantidad de calor requerida para lograr el cambio de

estado fsico de una sustancia sin que existan variaciones en su temperatura a una

determinada presin, la figura siguiente muestra los valores de temperatura y los

requerimientos de calor para el agua a la presin atmosfrica ( 0 psi manomtrica)


COMIT DE CALDERAS

En la fig. anterior cuando el agua pasa de lquido a vapor precisa una cantidad grande de

energa que denominamos calor latente de vaporizacin, que en el caso del agua es de

540 Kcal por cada kg que se evapora. Ahora para elevar el agua de 0 C a 100 C,

precisamos solo de 100 kcal/kg. Por otra parte, cuando el vapor de agua pasa a lquido, es

decir se condensa, libera la misma cantidad de energa (540 Kcal/kg).

QL = m x hfg x T .(4)

Donde:

QS= Cantidad de calor ganado o cedido (kcal)

m = Masa del cuerpo (kg)

hfg = Entalpia de vaporizacin ( kcal/kgC)

T = Variacin de la temperatura del cuerpo ( C)

QL


18

VIII. CALOR SENSIBLE Y LATENTE CONSEJO DEPARTAMENTAL DE LIMA

COMIT DE CALDERAS

Proceso de calentamiento del agua a presin

constante a 0 psi manomtrico

hf

hg

hfg


19

IX. RELACION PRES. Y TEMP. VAPOR CONSEJO DEPARTAMENTAL DE LIMA

COMIT DE CALDERAS

PRESION DE SATURACIN Psat .- Es la presin a la que el agua cambia de fase, a

una determinada temperatura cuyo valor se mantiene constante.

TEMPERATURA DE SATURACIN Tsat.- Es la temperatura a la que el agua cambia

de fase, a una determinada presin cuyo valor se mantiene constante.

Para una determinada presin de saturacin solo le corresponde una temperatura de

saturacin.

Curva de saturacin liquido-vapor

correspondientes al agua

ENTALPIA.- Significa el contenido calrico del fluido,

podemos mencionar la entalpia total (H) y la entalpia

especifica (h); para el agua podemos indicar las siguientes

entalpias especificas:

LA ENTALPIA DEL LIQUIDO SATURADO hf (btu/lb).- es el

contenido calrico del agua a una determinada temperatura

y presin de saturacin.

LA ENTALPIA DE VAPORIZACION hfg (btu/lb).- llamado

tambin calor latente de vaporizacin, es el calor requerido

para vaporizar 1 libra de agua a una determinada

temperatura y presin de saturacin.

LA ENTALPIA DEL VAPOR SATURADO hg (btu/lb).- es el

contenido calrico del vapor a una determinada

temperatura y presin de saturacin.

Adems: hg = hf + hfg


20


COMIT DE CALDERAS

TABLA DE VAPOR SATURADO.- Representa las distintas propiedades termodinmicas

del vapor saturado a una determinada temperatura y presin.

hf hfg hg

TABLAS DE VAPOR

IX. RELACION PRES. Y TEMP. VAPOR


21


COMIT DE CALDERAS


22


COMIT DE CALDERAS


23


COMIT DE CALDERAS

Ejemplo practico:

Se requiere vaporizar 17250 lb/h de agua a una a una presin de 100 psi

manomtricos. Considerar temperatura inicial del agua de 40C ( 104F)

Solucin El calor total requerido ser la suma de calor latente y calor de vaporizacin a la presin

de saturacin de 100 psi manomtricos

L = x hfg x T .(5)

s = x Ce x T = Calor sensible ganado (btu/h) = Flujo msico en (lb/h) Ce = Calor especifico del cuerpo ( btu/lbF)

T = Variacin de la temperatura del cuerpo ( F)

hfg = Entalpia de vaporizacin ( btu/lbgF)

L = Calor de vaporizacion o latente ganado (btu/h)

(2)

= 17250 lb/h; Ce = 1 btu/lbF T = t2-t1 = 344F -104F = 240F ; donde t2(344F) es la temp. de saturacin a 100 psi manomtrico

hfg = 880.4 btu/lbF entalpa de vaporizacin a 100 psi manomtrico

Reempazando valore en (2) y (5)

= 4140000 btu/h L = 15186900 btu/h T = + L = 19326900 btu/h

Msc. MASIAS GABRIEL ALBUJAR ESCUDERO ([email protected] telf. 996661152 )

24


CAPTULO DE ING. MECNICA Y MECNICA ELCTRICA

MUCHAS GRACIAS

EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR ETQ-SAC

Documents

Modulo 2.1 Conceptos Basicos