TERMOTECNIA

Cap¡tulo 1
Conceptos b sicos ........................................................................................... 23
1. Introducci¢n .......................................................................................... 23
2. Sistema, superficie de control, proceso y ciclo ..................................... 24
3. Principio de conservaci¢n de la materia ............................................... 24
4. Trabajo de un fluido .............................................................................. 26
5. Principio de la conservaci¢n de la energ¡a
(1er principio de la Termodin mica) ...................................................... 26
5.1 Ecuaci¢n de la energ¡a aplicada a un sistema cerrado reversible .................27
5.2 Ecuaci¢n de la energ¡a aplicada a un sistema abierto estacionario reversible ................. 28
6. Ecuaci¢n complementaria de la energ¡a ............................................... 30
7. Ecuaci¢n de Bernouilli ......................................................................... 30
8. Trabajo de expansi¢n adiab tica y reversible (sin rozamiento) ....................... 31
9. Trabajo de expansi¢n isoterma reversible ............................................ 32
10. Calor y trabajo en un ciclo cerrado ..................................................... 32
11. Segundo principio de la Termodin mica y entrop¡a ........................... 35
12. Rendimiento de Carnot ....................................................................... 36
13. Diagramas termodin micos y representaci¢n de procesos simples .... 37
13.1 Diagrama entalp¡a-entrop¡a (h-s) ............................................... 37
13.2 Diagrama temperatura-entrop¡a (T-s) ......................................... 38
13.3 Diagrama presi¢n-entalp¡a (p-h) ................................................ 39
14. Transmisi¢n de calor ........................................................................... 40
14.1 Conducci¢n ................................................................................ 41
14.1.1 Pared plana .................................................................... 42
14.1.2 Pared cil¡ndrica .............................................................. 43
14.1.3 Pared esf?rica ................................................................. 44
14.2 Convecci¢n ................................................................................. 44
14.2.1 Convecci¢n natural sin cambio de estado ..................... 44
14.2.2 Convecci¢n forzada sin cambio de estado ..................... 46
14.3 Radiaci¢n .................................................................................... 48
14.3.1 Leyes fundamentales ..................................................... 48
14.3.2 Intercambio de calor entre superficies radiantes ........... 49
14.4 Coeficiente global de transmisi¢n de calor conducci¢n-convecci¢n ......................... 50
14.4.1 Pared plana .................................................................... 50
14.4.2 Pared cil¡ndrica .............................................................. 52
14.4.3 Pared esf?rica ................................................................. 52
14.5 Coeficiente global de transmisi¢n de calor
convecci¢n-radiaci¢n ................................................................. 53
14.7 Flujo de calor a trav?s de la pared de una tuber¡a a temperatura variable .... 54
Cap¡tulo 2
Circulaci¢n de fluidos en tuber¡as y conductos ........................................... 59
1. Tipos de fluidos y viscosidad ................................................................ 59
1.1 Unidades ....................................................................................... 60
2. R?gimen de circulaci¢n y n£mero de Reynolds ................................... 61
2.1 Otras formulaciones del n£mero de Reynolds ............................. 62
3. P?rdida de carga en una tuber¡a ............................................................ 63
3.1 Factor de rozamiento .................................................................... 63
3.2 Ecuaci¢n de Hazen - Williams ..................................................... 64
3.3 Diagramas de p?rdida de carga .................................................... 65
4. Red de tuber¡as para l¡quidos .................................................................66
4.1 Tuber¡a lineal sin ramificaciones ...................................................66
4.2 C lculo de la p?rdida de carga en una red .................................... 70
4.3 Tipos de redes ............................................................................... 72
4.4 Equilibrado de redes ..................................................................... 74
5. Red de distribuci¢n de aire y gases a baja presi¢n ............................... 76
5.1 Cambio de velocidad .................................................................... 76
5.2 Di metro equivalente ................................................................... 77
5.3 Presi¢n est tica, presi¢n din mica y presi¢n total ....................... 77
5.4 Equilibrado de redes ..................................................................... 78
6. Red de distribuci¢n de aire y gases a presi¢n superior a la atmosf?rica ...... 83
6.1 Circulaci¢n de un gas h£medo ..................................................... 83
7. Red de distribuci¢n de vapor ................................................................ 84
8. Prevenci¢n de dilataciones ................................................................... 85
9. Ap?ndice ............................................................................................... 85
Referencias ............................................................................................... 89
Cap¡tulo 3
Bombas ............................................................................................................ 91
1. Introducci¢n .......................................................................................... 91
1.1 Tipos de m quinas ........................................................................ 92
2. Bombas cin?ticas .................................................................................. 93
2.1 Introducci¢n ................................................................................. 93
2.2 Potencia consumida y rendimiento .............................................. 95
2.3 Leyes de semejanza ...................................................................... 97
2.4 Cavitaci¢n, presi¢n requerida (NPSHr) y presi¢n disponible (NPSHd) en la boca de aspiraci¢n.100
2.5 Curvas caracter¡sticas ................................................................. 104
2.5.1 Curva presi¢n-caudal (H-V) .......................................... 105
2.5.2 Curva potencia-caudal (W?-V?) ....................................... 106
2.5.3 Curva rendimiento-caudal (? - V) ................................. 107
2.5.4 Curva de la presi¢n requerida
en la aspiraci¢n-caudal (NPSHr-V) ............................... 108
2.6 Punto de trabajo de una bomba .................................................. 108
2.6.1 C lculo del punto de trabajo de la bomba ..................... 109
2.7 Regulaci¢n del caudal en un circuito ......................................... 112
2.7.1 Regulaci¢n mediante una v lvula en serie .................... 113
2.7.2 Regulaci¢n mediante un sistema de v lvula y bypass ..... 114
2.7.3 Regulaci¢n mediante el control
de la velocidad de giro [3] .......................................... 114
2.7 Asociaci¢n de bombas ................................................................ 115
2.7.1 Asociaci¢n en paralelo ................................................... 115
2.7.2 Asociaci¢n en serie ........................................................ 116
2.8 Posibles soluciones para evitar la cavitaci¢n ............................. 117
3. Bombas volum?tricas alternativas ...................................................... 119
3.1 Tipos de bombas ......................................................................... 120
3.2 Variaci¢n del caudal instant neo ................................................ 121
3.3 Curvas caracter¡sticas ................................................................. 123
3.3.1 Relaci¢n presi¢n-caudal ................................................ 123
3.3.2 Relaci¢n rendimiento-caudal ......................................... 123
3.3.3 Presi¢n neta requerida en la boca
de aspiraci¢n (NPSHr) y cavitaci¢n .................................. 124
3.3.4 Presi¢n neta positiva disponible en la aspiraci¢n .......... 125
3.4 Dep¢sito amortiguador ............................................................... 126
4. Bombas volum?tricas rotativas ........................................................... 127
4.1 Tipos de bombas ......................................................................... 127
4.2 Caracter¡sticas ............................................................................ 129
4.2.1 Rendimiento .................................................................. 129
4.2.2 Caudal ............................................................................ 130
4.2.3 Potencia en el eje ........................................................... 131
4.4.4 Presi¢n requerida en la aspiraci¢n ................................. 131
5. Bombas dosificadoras ......................................................................... 131
6. Bombas especiales .............................................................................. 132
6.1 Bombas magn?ticas .................................................................... 132
6.2 Bombas vortex ........................................................................... 133
6.3 Circuladores ............................................................................... 133
6.4 Bombas sumergibles .................................................................. 134
6.5 Elevadoras de tornillo de Arqu¡medes ...................................... 134
6.6 Manipuladoras de tornillo .......................................................... 134
6.7 Bomba de cilindro y ?mbolo m¢vil ........................................... 135
7. Bombeo de l¡quidos viscosos ............................................................. 135
7.1 Correcci¢n de las curvas caracter¡sticas
de las bombas centr¡fugas ........................................................... 135
8. Bombeo de l¡quidos con s¢lidos en suspensi¢n .................................. 137
9. Bombeo de l¡quidos con gases disueltos ............................................ 139
10 .Criterios de selecci¢n del tipo de bombas ........................................ 142
10.1 Selecci¢n de la bomba en funci¢n del tipo de fluido ............... 142
10.2 Selecci¢n de la bomba en funci¢n de las condiciones de trabajo ..................143
10.3 Selecci¢n de la bomba en funci¢n del punto de trabajo ........... 143
10.4 Selecci¢n de la bomba en funci¢n del NPSHr .......................... 145
10.5 Selecci¢n de la bomba en funci¢n del coste energ?tico ........... 145
10.6 Selecci¢n de la bomba en funci¢n del coste econ¢mico .......... 146
Referencias ............................................................................................. 147
Cap¡tulo 4
Ventiladores y soplantes ............................................................................... 149
1. Introducci¢n ........................................................................................ 149
2. Tipos de ventiladores .......................................................................... 151
2.1 Ventiladores centr¡fugos ............................................................. 151
2.2 Ventiladores axiales .................................................................... 152
3. Leyes de semejanza ............................................................................ 154
4. Curvas caracter¡sticas ......................................................................... 155
4.1 Curva presi¢n - caudal ............................................................... 156
4.2 Curvas potencia-caudal y rendimiento-caudal ........................... 157
4.3 Influencia de la densidad ............................................................ 158
5. Elecci¢n del ventilador ....................................................................... 159
6. Punto de trabajo .................................................................................. 162
7. Zona de trabajo ................................................................................... 164
8. Regulaci¢n del caudal ......................................................................... 165
8.1 Persiana reguladora en la impulsi¢n (damper) ........................... 165
8.2 µlabes de geometr¡a variable en la aspiraci¢n ........................... 166
8.3 Velocidad de giro variable ......................................................... 166
9. Ruido .................................................................................................. 167
10. Asociaci¢n de ventiladores ............................................................... 168
10.1 Ventiladores en serie ................................................................. 168
10.2 Ventiladores en paralelo ........................................................... 168
Referencias ............................................................................................. 170
Cap¡tulo 5
Compresores .................................................................................................. 171
1. Introducci¢n ........................................................................................ 171
2. Conocimientos b sicos ....................................................................... 171
2.1 Compresi¢n isentr¢pica .............................................................. 171
2.2 Compresi¢n politr¢pica .............................................................. 175
2.3 Compresi¢n isoterma ................................................................. 176
2.4 Compresi¢n por etapas ............................................................... 176
3. Compresores alternativos ................................................................... 182
3.1 Relaci¢n de compresi¢n m xima te¢rica ................................... 185
3.2 Diagrama del indicador .............................................................. 186
3.3 Rendimiento isentr¢pico indicado .............................................. 187
3.4 Rendimiento volum?trico ........................................................... 189
3.5 Caudal volum?trico y caudal m sico ......................................... 190
4. Compresores cin?ticos (turbocompresores) ........................................ 192
4.1 Turbocompresores de circulaci¢n axial ...................................... 192
4.2 Turbocompresores de circulaci¢n radial .................................... 193
4.3 Comportamiento de los turbocompresores ................................. 193
5. Compresores rotativos de desplazamiento positivo ............................ 195
5.1 Compresores de aletas ................................................................ 195
5.2 Compresores de tornillo ............................................................. 196
5.3 Compresor de espiral (Scroll) .................................................... 198
6. Campo de aplicaci¢n de los compresores ........................................... 199
Cap¡tulo 6
Producci¢n de vac¡o ..................................................................................... 201
1. Introducci¢n ........................................................................................ 201
2. Eyectores ............................................................................................ 201
2.1 Estudio te¢rico ........................................................................... 203
3. Eductores o bombas de chorro ............................................................ 206
4. Bombas rotativas ................................................................................ 207
Cap¡tulo 7
Equipos productores de energ¡a mec nica ................................................ 209
1. Introducci¢n ........................................................................................ 209
2. Turbina de vapor ................................................................................. 209
2.1 Ciclo Rankine ............................................................................. 209
2.2 Turbina de condensaci¢n ............................................................ 212
2.3 Turbinas de vapor de contrapresi¢n ........................................... 214
2.4 Turbina de vapor de condensaci¢n con extracci¢n .................... 214
3. Turbina de gas ..................................................................................... 217
3.1 Turbina de gas sin regeneraci¢n ................................................. 219
3.2 Turbina de gas con regeneraci¢n ................................................ 223
3.3 Caracter¡sticas de las turbinas de gas ......................................... 225
3.4 Comportamiento de las turbinas de gas ..................................... 226
4. Motores alternativos de combusti¢n interna ....................................... 229
4.1 Ciclo Otto te¢rico ....................................................................... 230
4.2 Ciclo Diesel te¢rico .................................................................... 231
4.3 Ciclos reales ............................................................................... 235
4.4 Tipos de motores ........................................................................ 236
4.4.1 Motor de cuatro tiempos ................................................ 237
4.4.2 Motor de dos tiempos .................................................... 237
4.4.3 Motores de dos y m s v lvulas ...................................... 238
4.4.4 Motores atmosf?ricos y turboalimentados ..................... 238
4.5 Caracter¡sticas de los motores de combusti¢n ........................... 239
5. Motores el?ctricos ............................................................................... 241
5.1 Motor de corriente continua ....................................................... 242
5.2 Motores de corriente alterna (AC) ............................................. 243
Cap¡tulo 8
Aislamiento t?rmico ..................................................................................... 247
1. Introducci¢n ........................................................................................ 247
2. Aislamiento de tuber¡as ...................................................................... 248
2.1 C lculo del calor disipado a trav?s de la pared .......................... 249
2.2 C lculo del ahorro energ?tico y econ¢mico. Espesor cr¡tico y espesor ¢ptimo .... 251
2.2.1 Ahorro energ?tico .......................................................... 251
2.2.2 Ahorro econ¢mico bruto ................................................ 252
2.2.3 Espesor m¡nimo te¢rico ................................................. 253
2.2.4 Espesor ¢ptimo .............................................................. 254
2.4 Aislamiento de tuber¡as calientes. Espesor m¡nimo ................... 256
2.5 Aislamiento de tuber¡a fr¡as ....................................................... 257
2.5.1 Espesor m¡nimo ............................................................. 257
2.5.2 Condensaci¢n superficial ............................................... 258
2.5.3 C lculo del espesor de aislante para evitar la condensaci¢n superficial ...... 259
2.6 Prevenci¢n de heladas ................................................................ 261
2.6.1 Agua fluyente ................................................................. 261
2.6.2 Agua estancada .............................................................. 263
3. Aislamiento de dep¢sitos .................................................................... 264
3.1 Espesor m¡nimo de aislante ........................................................ 265
3.2 Variaci¢n de la temperatura con el tiempo ................................. 265
3.2.1 Dep¢sito sin circulaci¢n de fluido ................................. 265
3.2.1 Dep¢sito con circulaci¢n de fluido y aporte de calor .... 266
3.3 Prevenci¢n de heladas ................................................................ 268
4. Aislamiento de hornos ........................................................................ 269
4.1 Elecci¢n de los materiales y predimensionado de la pared ........ 270
4.2 C lculo del calor disipado a trav?s de la pared en r?gimen estacionario ................. 271
Referencias ............................................................................................. 276
Cap¡tulo 9
Generaci¢n de calor ..................................................................................... 277
1. Introducci¢n ........................................................................................ 277
2. Calderas .............................................................................................. 277
2.1 Tipos y estructura b sica ............................................................ 277
2.2 Rendimiento ............................................................................... 279
2.2.1 Revisi¢n de las p?rdidas en los humos y rendimiento ..... 282
2.2.2 Tipos de rendimiento ..................................................... 283
2.3 Esquema general y distribuci¢n de temperaturas ....................... 284
2.4 Economizador ............................................................................ 288
2.5 Calderas de recuperaci¢n ........................................................... 289
2.6 Calderas de condensaci¢n .......................................................... 291
2.7 Principios de seguridad .............................................................. 291
2.8 Caracter¡sticas espec¡ficas de una caldera .................................. 292
3. Quemadores ........................................................................................ 293
3.1 Elementos auxiliares del quemador ........................................... 294
3.2 Quemadores de alto rendimiento ............................................... 295
3.2.1 Quemadores regenerativos ............................................ 295
3.2.2 Quemadores de tubos sumergidos y de combusti¢n sumergida ................ 296
4. Equipos auxiliares ............................................................................... 297
4.1 Desaireador ................................................................................ 297
4.2 Purga y agua de alimentaci¢n de caldera ................................... 301
4.2.1 Formaci¢n de incrustaciones ......................................... 301
4.2.2 C lculo de los caudales de purga y reposici¢n .............. 302
4.3 Evacuaci¢n de humos. Chimenea .............................................. 304
4.3.1 Requisitos m¡nimos de la chimenea .............................. 304
4.3.2 C lculo del caudal de gases de combusti¢n .................. 304
4.3.2 C lculo del tiro .............................................................. 307
4.3.4 C lculo de la temperatura de gases y prevenci¢n de condensados............ 310
4.4 Vaso de expansi¢n ...................................................................... 312
4.4.1 C lculo de la dilataci¢n del agua ................................... 313
4.4.2 Calculo del tama¿o del vaso cerrado ............................. 313
5. Almacenamiento y alimentaci¢n de combustible (gas¢leo y fuel¢le) ................ 315
6. Calefacci¢n el?ctrica ........................................................................... 316
Cap¡tulo 10
Generaci¢n de fr¡o ........................................................................................ 317
1. Introducci¢n ........................................................................................ 317
2. Conocimientos b sicos ....................................................................... 317
2.1 Comportamiento de la eficiencia ................................................ 318
2.2 Conceptos de eficiencia .............................................................. 319
2.2.1 Eficiencia instant nea .................................................... 319
2.2.2 Eficiencia nominal ......................................................... 319
2.2.3 Eficiencia a carga parcial ............................................... 321
2.2.4 Eficiencia estacional ...................................................... 321
3. Producci¢n de fr¡o por compresi¢n-expansi¢n con cambio de estado ...... 321
3.1 Ciclo simple ............................................................................... 321
3.1.1 Elecci¢n de las presiones de trabajo .............................. 323
3.2 Ciclo de compresi¢n por etapas y c mara de flash .................... 325
3.3 Asociaci¢n de ciclos en cascada ................................................. 330
4. Ciclo Brayton ...................................................................................... 333
4.1 Ciclo Brayton cerrado simple sin regeneraci¢n ......................... 333
4.2 Ciclo Brayton cerrado con regeneraci¢n .................................... 334
4.3 Ciclo Brayton abierto ................................................................ 337
5. Ciclo Linde abierto para licuaci¢n de gases ....................................... 337
6. Refrigeraci¢n con c mara de vac¡o ..................................................... 338
7. Refrigeraci¢n por humidificaci¢n adiab tica del aire ......................... 340
8. Refrigeraci¢n por absorci¢n ............................................................... 343
8.1 Ciclo de absorci¢n simple con LiBr-H2O ................................... 344
8.1.1 Localizaci¢n de las temperaturas de trabajo .................. 345
8.1.2 C lculo de los caudales y de las potencias t?rmicas ...... 346
8.2 Ciclo de absorci¢n de doble efecto con LiBr-H2O ..................... 349
8.3 Ciclo de absorci¢n con NH3 - H2O ............................................. 350
8.3.1 Determinaci¢n de las condiciones de funcionamiento ..... 351
8.3.2 Ecuaciones que gobiernan el ciclo ................................ 352
9. Torres de refrigeraci¢n ........................................................................ 355
9.1 C lculo del consumo de agua ..................................................... 358
10. Bomba de calor ................................................................................. 359
Cap¡tulo 11
Red de distribuci¢n de calor o fr¡o ............................................................. 361
1. Recipientes a presi¢n: espesor de la pared ......................................... 361
1.1 Esfuerzo tangencial .................................................................... 361
1.2 Esfuerzo longitudinal ................................................................. 363
2. Esfuerzos mec nicos sobre una tuber¡a .............................................. 363
2.1 Empuje est tico debido a la presi¢n ........................................... 363
2.2 Empuje din mico debido a la velocidad de circulaci¢n ............. 364
3. Dilataci¢n de tuber¡as ......................................................................... 365
3.1 C lculo del juego de dilataci¢n .................................................. 366
3.2 Pretensado de tuber¡as ................................................................ 368
3.3 Elasticidad de un sistema de tuber¡as ......................................... 368
3.3.1 Flexibilidad inherente de un sistema ............................. 368
3.3.2 M xima dilataci¢n admisible ........................................ 370
4. Elementos destinados a la absorci¢n de dilataciones ......................... 370
4.1 Bucles de dilataci¢n ................................................................... 371
4.2 Compensadores .......................................................................... 371
4.3 Instalaci¢n de compensadores .................................................... 373
5. Anclajes y gu¡as .................................................................................. 374
5.1 Cargas sobre anclajes ................................................................. 374
5.2 Espaciado entre gu¡as ................................................................. 375
6. Puntos de suspensi¢n .................................................................... 375
Cap¡tulo 12
Tecnolog¡as generales de ahorro energ?tico .......................................... 377
1. Introducci¢n ........................................................................................ 377
2. Valorizaci¢n de vapores ...................................................................... 377
2.1 Aprovechamiento de revaporizados ........................................... 378
2.2 Compresi¢n de vapor ................................................................. 382
2.2.1 Concentraci¢n convencional con vapor de procesos ..... 382
2.2.2 Concentraci¢n con compresi¢n de vapor ...................... 383
3. Calderas y quemadores de alto rendimiento ....................................... 386
3.1 Calderas de condensaci¢n .......................................................... 386
3.2 Quemadores regenerativos ......................................................... 389
3.3 Placas de radiaci¢n infrarroja ..................................................... 389
3.4 Tubos radiantes a baja temperatura ............................................ 390
4. Valorizaci¢n de residuos ..................................................................... 390
4.1 Valorizaci¢n interna .................................................................... 391
4.1.1 Digesti¢n anaer¢bica de materia org nica ..................... 391
4.1.2 Combusti¢n de residuos ................................................ 392
4.2 Valorizaci¢n externa ................................................................... 393
4.2.1 Digesti¢n anaer¢bica de materia org nica ..................... 393
4.2.2 Combustibles de biomasa .............................................. 394
5. Bomba de calor ................................................................................... 394
5.1 Clasificaci¢n ............................................................................... 394
5.2 Base te¢rica ................................................................................ 395
5.3 Ahorro energ?tico ....................................................................... 396
5.4 Recuperaci¢n de calor ................................................................ 397
6. Intercambiadores de calor ................................................................... 399
6.1 Intercambiador de calor sin cambio de estado ........................... 400
6.2 Ahorro neto ................................................................................. 401
7. Cogeneraci¢n de calor y electricidad .................................................. 401
7.1 Inter?s energ?tico de la cogeneraci¢n ........................................ 402
7.2 Inter?s econ¢mico de la cogeneraci¢n ....................................... 403
7.3 Sistemas de cogeneraci¢n ...........................................................404
7.4 Equipos de cogeneraci¢n ............................................................ 405
7.4.1 Motor de combusti¢n (MC) ........................................... 405
7.4.2 Turbina de gas (TG) ....................