miércoles, 26 de junio de 2013

Condensador

              

Funcionamiento del dispositivo


Un condensador es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el fluido que lo recorre cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador (aerocondensadores) o con agua (esta última suele ser en circuito semicerrado con torre de refrigeración, o en circuito abierto proveniente de un río o del mar). El tipo de condensador más empleado en centrales termoeléctricas es el que utiliza agua como fluido refrigerante, que además  utiliza un circuito semiabierto de refrigeración con una torre evaporativa como sumidero del calor latente de vaporización. Los aerocondensadores se utilizan cuando no se dispone de agua suficiente para alimentar una torre evaporativa. Aunque son más caros y provocan en el ciclo agua-vapor una pérdida de rendimiento, se utilizan cuando no existe otra posibilidad para condensar el vapor.
El propósito del condensador termodinámico es pues provocar el cambio de estado del vapor a la salida de la turbina para así obtener máxima eficiencia e igualmente obtener el vapor condensado en forma de agua pura de regreso al tren de generación de vapor.
Las razones para condensar el vapor son tres:
-          Se aprovecha el vapor a la salida de la turbina, cerrando el ciclo del agua
-          Se reduce la presión a la salida, incluso por debajo de la atmosférica, con lo que el salto de presión es mayor y por lo tanto el rendimiento y la potencia de la turbina aumentan
-          El posterior aumento de presión del fluido puede realizarse en una bomba hidráulica, con un consumo energético menor que si se realiza en una caldera o en un compresor
El condensador debe cumplir las siguientes funciones:
Recuperar como agua de condensación, el vapor que sale de la turbina. Puesto que esta transformación es un cambio de estado a presión y temperatura constante, el calor intercambiado, es el calor latente de vaporización.
Aumentar el área del ciclo funcional mejorando el rendimiento, al provocar que el vapor se expanda hasta un valor de presión inferior a la atmosférica, con lo que se aumenta el salto entálpico de la turbina y así alcanzar la misma potencia con menor cantidad de vapor.
Extraer los gases no condensables.
Formar conjuntamente con el desgasificador y el domo de la caldera, una reserva de agua capaz de enfrentar variaciones bruscas de carga.


Diagrama esquemático, partes del evaporador y tipos


 
Diagramas de condensadores


Diagrama esquemático

Las partes más significativas de un condensador son:
·         Cuello. Es el elemento de unión con el escape de la turbina de vapor. Tiene una parte más estrecha que se une al escape mediante soldadura o bien a través de una junta de expansión metálica o de goma que absorbe los esfuerzos originados por las dilataciones y el empuje de la presión atmosférica exterior. La parte más ancha va soldada a la carcasa del condensador.
·         Carcasa o cuerpo. Es la parte más voluminosa que constituye el cuerpo propiamente dicho del condensador y que alberga los paquetes de tubos y las placas. Suele ser de acero al carbono.
·         Cajas de agua. Colector a la entrada y a la salida del agua de refrigeración (agua de circulación) con el objeto de que ésta se reparta de forma uniforme por todos los tubos de intercambio. 
·         Tubos. Son los elementos de intercambio térmico entre el agua y el vapor. Su disposición es perpendicular al eje de la turbina. Suelen ser de acero inoxidable (agua de río) y titanio (agua de mar).
·         Placas de tubos. Son dos placas perforadas que soportan los dos extremos de los tubos. Constituyen la pared de separación física entre la zona del agua de las cajas de agua y la zona de vapor del interior de la carcasa. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento (cladding) de titanio en la cara exterior cuando el fluido de refrigeración es agua de mar.
·         Placas soporte. Placas perforadas situadas en el interior de la carcasa y atravesadas perpendicularmente por los tubos. Su misión es alinear y soportar los tubos, así como impedir que éstos vibren debido a su gran longitud. 
·         Pozo caliente. Depósito situado en la parte inferior del cuerpo que recoge y acumula el agua que resulta de la condensación del vapor. Tiene una cierta capacidad de reserva y contribuye al control de niveles del ciclo. De este depósito aspiran la bombas de extracción de condensado.
·         Zona de enfriamiento de aire. Zona situada en el interior de los paquetes de tubos, protegida de la circulación de vapor mediante unas chapas para conseguir condiciones de subenfriamiento. De esta manera, el aire disuelto en el vapor se separa del mismo y mediante un sistema de extracción de aire puede ser sacado al exterior.
·         Sistema de extracción de aire. Dispositivos basados en eyector  que emplean vapor como fluido motriz o bombas de vacío de anillo líquido. Su misión, en ambos casos, es succionar y extraer el aire del interior del condensador para mantener el vacío. Estos dispositivos aspiran de la zona de enfriamiento de aire.

Los condensadores se pueden clasificar de la siguiente manera.
- Condensador de mezcla
Este tipo de condensador está conformado por un recipiente en el cual el gasto de vapor se condensa al enfrentar un gasto de agua en forma de lluvia. Para poder utilizar un condensador de este tipo es necesario contar con agua de enfriamiento de las mismas características del agua que está circulando por el ciclo. Para las mismas condiciones de operación, la presión que reina en el condensador de mezcla es superior a la que reina en el condensador de superficie enfriado por agua.

- Condensador de superficie
En el condensador más utilizado en los ciclos térmicos de todo tamaño. Dentro de este tipo se distinguen dos diferentes.
1.    Condensador de superficie enfriado por aire: En casos muy excepcionales donde no exista una fuente para la provisión de agua en el lugar, se puede utilizar el condensador enfriado por aire. De tal modo la única cantidad de agua que necesita el ciclo térmico, es el agua de reposición, debido a las fugas a través de juntas, válvulas, purgas de caldera, etc. Un condensador de estas características requiere un espacio voluminosa mayor, ubicándose generalmente en la posición más alta de la construcción.
2.  Condensador de superficie enfriado por agua: Son los condensadores más utilizados para pequeña, mediana y gran potencia de las instalaciones termoeléctricas. En este condensador el agua de enfriamiento es separada del vapor por medio de una superficie metálica, a través de la cual se producen intercambio de calor.


Propiedades de estado de entrada y salida

Consideraciones

  • El trabajo es despreciable.
  • Utilizamos el calor para relacionar ambos fluidos.
  • La energía potencial es despreciable.
  • La energía cinética si no nos hablan del diámetro de las tuberías es cero, si este dato es dado la energía cinética tendrá un valor diferente de cero.

Propiedades de entrada

  • El fluido al entrar por eb esta en estado de vapor o mezcla saturada.
  • La temperatura en la entrada a (ea) es menor a la temperatura en la entrada b (eb).

Propiedades de salida

  • El fluido al salir por sb esta en el estado de líquido saturado.
  • La temperatura de salida a es menor que la temperatura de salida b.
  • La presión en la salida a es igual a la presión de entrada a.
  • La presión en la salida b es igual a la presión de entrada b.

Relaciones entre las propiedades de entrada y salida



Ecuación de continuidad de un condensador


Primera ley de la termodinámica para un condensador




Video explicativo del funcionamiento del dispositivo


 




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Evaporador


              

Funcionamiento del dispositivo   


Se conoce por evaporador al intercambiador de calor donde se produce el intercambio térmico entre el refrigerante y el medio a enfriar. Su nombre proviene del cambio de estado sufrido por el refrigerante al recibir esta energía, luego de una brusca expansión que reduce su temperatura. Durante el proceso de evaporación, el fluido pasa del estado líquido al gaseoso.
Los evaporadores se encuentran en todos los sistemas de refrigeración como neveras, equipos de aire acondicionado y cámaras frigoríficas. Su diseño, tamaño y capacidad depende de la aplicación y carga térmica de cada uso. En los evaporadores inundados la transmisión de calor es uniforme, en los secos es una mezcla de gas y líquido pulverizado.
En los sistemas frigoríficos el evaporador opera como intercambiador de calor, por cuyo interior fluye el refrigerante el cual cambia su estado de líquido a vapor. Este cambio de estado permite absorber el calor sensible contenido alrededor del evaporador y de esta manera el gas, al abandonar el evaporador lo hace con una energía interna notablemente superior debido al aumento de su entalpía, cumpliéndose así el fenómeno de refrigeración. La cantidad de calor que absorbe el evaporador depende de la superficie, la diferencia de temperatura (entre el exterior y la temperatura de evaporación) y el coeficiente de transmisión de calor (K) que es el material que empleamos.
El flujo de refrigerante en estado líquido es controlado por un dispositivo o válvula de expansión la cual genera una abrupta caída de presión en la entrada del evaporador. En los sistemas de expansión directa, esta válvula despide una fina mezcla de líquido y vapor a baja presión y temperatura. Debido a las propiedades termodinámicas de los gases refrigerantes, este descenso de presión está asociado a un cambio de estado y, lo que es más importante aún, al descenso en la temperatura del mismo.
De esta manera, el evaporador absorbe el calor sensible del medio a refrigerar transformándolo en calor latente el cual queda incorporado al refrigerante en estado de vapor. Este calor latente será disipado en otro intercambiador de calor del sistema de refrigeración por compresión conocido como condensador dentro del cual se genera el cambio de estado inverso, es decir, de vapor a líquido.

Diagrama esquemático, partes del evaporador y tipos


Diagrama esquemático

Las partes esenciales de un evaporador son la cámara de calefacción y la cámara de evaporación. El haz de tubos corresponde a una cámara y la coraza corresponde a la otra cámara. La coraza es un cuerpo cilíndrico en cuyo interior está el haz de tubos. Las dos cámaras están separadas por la superficie sólida de los tubos, a través de la cual tiene lugar el intercambio de calor. La forma y la disposición de estas cámaras, diseñadas para que la eficacia sea máxima, da lugar a distintos tipos de evaporadores.

Podemos clasificar los evaporadores en dos grandes grupos:
- Evaporadores de tubos horizontales. El vapor calefactor es vapor de agua saturado que cede su calor de condensación y sale como agua líquida a la misma temperatura y presión de entrada. Este evaporador se denomina de tubos horizontales porque los tubos están dispuestos horizontalmente.



- Evaporadores de tubos verticales. Se denominan así porque el haz de tubos está dispuestos verticalmente dentro de la coraza. La evaporación tiene lugar dentro de los tubos, saliendo por la parte superior el disolvente evaporado y por la parte inferior la disolución concentrada. El vapor calefactor entra por encima del haz de tubos y sale como agua condensada.

Evaporardor de cistella

Propiedades de estado de entrada y salida

Consideraciones

  • El trabajo es despreciable.
  • Utilizamos el calor para relacionar ambos fluidos.
  • La energía potencial es despreciable.
  • La energía cinética si no nos hablan del diámetro de las tuberías es cero, si este dato es dado la energía cinética tendrá un valor diferente de cero.

Propiedades de entrada

  • El fluido al entrar por eb esta en líquido o mezcla saturada.
  • La temperatura en la entrada a (ea) es menor a la temperatura en la entrada b (eb).

Propiedades de salida

  • El fluido al salir por sb es un vapor sobrecalentado.
  • La temperatura de salida en a es menor que la temperatura de salida b.
  • La presión en la salida a es igual a la presión de entrada a.
  • La presión en la salida b es igual a la presión de entrada b.

Relaciones entre las propiedades de entrada y salida



Ecuación de continuidad de un evaporador


Primera ley de la termodinámica para un evaporador




Video explicativo del funcionamiento del dispositivo









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Cámara de Evaporación Instantánea


Funcionamiento

Dispositivo utilizado para separar fluidos en mezcla donde entra un fluido en forma de mezcla saturada a una presión determinada y sale con la misma presión en ambas partes, en forma de líquido saturado por una salida y por la otra en forma de vapor saturado.

Diagrama esquemático

Propiedades de Entrada y Salida del dispositivo


  • El fluido entra en mezcla y tiene dos salidas; como líquido saturado y como vapor saturado.
  • Las presión con la que entra el fluido, es igual a la presión con la que sale en ambas partes. 

Ecuación de Continuidad

Primera Ley de la Termodinámica aplicada en el dispositivo


Intercambiador de calor indirecto



Funcionamiento del dispositivo

Un intercambiador de calor indirecto es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, que estén separados por una barrera. Son parte esencial de los dispositivos de refrigeración,acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.
Un intercambiador indirecto típico es el radiador del motor de un automóvil, en el que el fluido refrigerante, calentado por la acción del motor, se refrigera por la corriente de aire que fluye sobre él y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.

Clasificacion y funcionamiento:

Cambiadores de calor tubulares


El cambiador indirecto más simple es el cambiador de tubos concéntricos; consta de dos tuberías concéntricas, una en el interior de la otra, circulando los dos fluidos por el espacio anular y por la tubería interior. Los flujos pueden ser en el mismo sentido (corrientes paralelas) o en sentido contrario (contracorriente).



Transmisión de calor por conducción


La conducción es la forma en que tiene lugar la transferencia de energía a escala molecular. Cuando las moléculas absorben energía térmica vibran sin desplazarse, aumentando la amplitud de la vibración conforme aumenta el nivel de energía. Esta vibración se transmite de unas moléculas a otras sin que tenga lugar movimiento alguno de traslación. En la transmisión de calor por conducción no hay movimiento de materia. La conducción es el método más habitual de transmisión de calor en procesos de calentamiento/enfriamiento de materiales sólidos opacos. Si existe una gradiente de temperatura en un cuerpo, tendrá lugar una transmisión de calor desde la zona de alta temperatura hacia la que está a temperatura más baja. El flujo de calor será proporcional al gradiente de temperatura.



Transmisión de calor por convección


Cuando un fluido circula alrededor de un sólido, por ejemplo por el interior de una tubería, existiendo una diferencia de temperatura entre ambos tiene lugar un intercambio de calor entre ellos. Esta transmisión de calor se debe al mecanismo de convección. El calentamiento y enfriamiento de gases y líquidos son los ejemplos más habituales de transmisión de calor por convección. Dependiendo de si el flujo del fluido es provocado artificialmente o no, se distinguen dos tipos: forzada y libre (también llamada natural). La convección forzada implica el uso de algún medio mecánico, como una bomba o un ventilador, para provocar el movimiento del fluido. Ambos mecanismos pueden provocar un movimiento laminar o turbulento del fluido.


Diagrama Esquemático






Propiedades de Estado de Entrada y Salida



Consideraciones

  • Esta perfectamente aislado con el exterior
  • No hay trabajo en el intercambiador


Propiedades de Entrada

  • El fluido B entra con una temperatura más alta que el fluido A

Propiedades de Salida

  • El fluido B sale con la misma temperatura que el fluido A o un poco mas alta.

Relaciones entre las propiedades de entrada y salida y consideraciones


Ecuación de continuidad para un intercambiador de calor indirecto



Primera ley de la termodinámica para un intercambiador de calor indirecto.






Video sobre el funcionamiento de un intercambiador de calor


Links


Otro video sobre el funcionamiento
http://www.youtube.com/watch?v=JipA1cnmVZg

Fabricantes de intercambiadores de calor
http://www.eproexergy.com/intercambiadores_calor.html

Proceso de fabricacion de un intercambiador de calor
http://www.youtube.com/watch?v=LsfRQGm4-Lc

Manual de mantenimiento de un intercambiador de calor
www.spx.com/en/assets/.../95-03057-es_vot2_wcb.pdf

Cámara de Mezcla (Intercambiador de calor por contacto directo)


Funcionamiento del dispositivo 


La sección donde sucede el proceso de mezclado de dos corrientes de fluidos, es llamada cámara de mezcla, o mezclador.
Este tipo de dispositivo solo se emplea en los sistemas continuos o circulantes para la mezcla completa de fluidos miscibles.

Es un equipo en el cual ingresan más de una corriente de fluido (gas ideal o vapor), que luego de mezclarse, salen bajo un mismo estado. La condición de funcionamiento para este equipo, es que las presiones de entrada deben ser iguales a la presión de salida. La cámara de mezcla funciona en régimen permanente y es adiabática.

Aplicaciones de la cámara de mezcla

  • En la soldadura autógena, se utiliza una pequeña cámara de mezclado dentro del soplete, en donde se mezcla el combustible(acetileno) con el oxigeno, causando así una llama, que por medio de reguladores, se obtienen distintos tipos de llama. 
  • En algunas piscinas, por lo general las mas grandes, se utiliza una cámara de mezclado de agua y cloro, en donde para ahorrar el trabajo manual de regar el cloro en polvo por la piscina, con la ayuda de una bomba, se tira este fluido proveniente de la cámara de mezcla, hacia la piscina.
  • Un ejemplo clásico de una cámara de mezclado lo constituyen las llaves de paso en las regaderas caseras, en donde se busca acondicionar la temperatura del flujo de agua dependiendo de la apertura de la llave fría o caliente.




Diagrama esquemático

                               

Consideraciones


  • La transferencia de calor es insignificante ya que normalmente están bien aisladas.
  • Se desprecian los cambios de energía potencial en el dispositivo.
  • Los cambios de la energía cinética en el dispositvo son muy pequeños como para tomarse en cuenta.
  • No hay trabajo asociado.

Propiedades de entrada y de salida

  • El fluido sale en forma de mezcla saturada.
  • Es un dispositivo adiabático ya que la presión en ambas entradas es igual a la presión en la salida.
  • El flujo másico en la salida viene dado por la suma de los flujos másicos de ambas entradas.

Ecuación de continuidad para una cámara de mezcla


Primera ley de la Termodinámica para una cámara de mezcla 


                         

                 Sabiendo que,
                                                               entonces:
                              
                 Agrupando términos semejantes y reacomodando la ecuación

                            

                donde:
                                 
                                             

Video explicativo del funcionamiento de una cámara de mezcla


video

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Válvula

Funcionamiento del Dispositivo

Una válvula se define como un aparato mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.

Las válvulas son unos de los instrumentos de control más esenciales en la industria. Debido a su diseño y materiales, las válvulas pueden abrir y cerrar, conectar y desconectar, regular, modular o aislar una enorme serie de líquidos y gases, desde los más simples hasta los más corrosivos o tóxicos. Sus tamaños van desde una fracción de pulgada hasta 30 ft (9 m) o más de diámetro. Pueden trabajar con presiones que van desde el vació hasta mas de 20000 lb/in² (140 Mpa) y temperaturas desde las criogénicas hasta 1500 °F (815 °C). En algunas instalaciones se requiere un sellado absoluto; en otras, las fugas o escurrimientos no tienen importancia.

La palabra flujo expresa el movimiento de un fluido, pero también significa para nosotros la cantidad total de fluido que ha pasado por una sección de terminada de un conducto. Caudal es el flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de fluido que circula por una sección determinada del conducto en la unidad de tiempo.

Dibujo Esquemático

Propiedades de Entrada y Salida


  • Las válvulas son por lo regular dispositivos pequeños, y se puede suponer que el flujo por ellos es adiabático puesto que no hay suficiente área, ni tiempo suficientemente grande para que ocurra alguna transferencia de calor efectiva.
                                                           

  •  No se realiza trabajo 
                                                          
  • El cambio de energía potencial, si tiene lugar, es muy pequeño.
                                                        
  • Aun cuando la velocidad de salida sea con frecuencia considerablemente mayor que la velocidad de entrada, en muchos casos el incremento de energía cinética es insignificante.
                                                        
  • Los valores de entalpía en la entrada y la salida de una válvula son los mismos.
                                                  

Ecuación de Continuidad

Primera Ley de la Termodinámica


Vídeo del funcionamiento de una Válvula





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