ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS II

PRÁCTICA # 1

CALDERO, TORRE DE ENFRIAMIENTO Y COMPRESOR

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Fecha: 27/02/2015

1. OBJETIVOS

1.1 Objetivos Generales

- Realizar de manera experimental el reconocimiento y manejo de los principales

equipos de un laboratorio de operaciones unitarias.

1.2 Objetivos Específicos

- Identificar los tipos de calderas y sus funciones.

- Comprender el funcionamiento de las torres de enfriamiento de tiro mecánico,

utilizando un equipo piloto.

- Desarrollar y mejorar habilidades de manejo de equipos de laboratorio.

2. ALCANCE

Algunos de los equipos de mayor importancia en el laboratorio de operaciones unitarias

son los que veremos en esta práctica en donde se tendrá el conocimiento acerca de las

especificaciones de la caldera, la torres de enfriamiento y del compresor ya que estos

son los que comúnmente se usan industrialmente.

3. LA CALDERA

Se clasifican según diversos criterios, relacionados con la disposición de los fluidos y su

circulación, el mecanismo de transmisión de calor dominante, aspectos estructurales,

modo de intercambio de calor, la forma del quemado del combustible, forma de

alimentación del agua y otros muchos factores.

3.1 CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LA CIRCULACIÓN DE

LOS FLUIDOS DENTRO DE LOS TUBOS DE LA CALDERA:

a) Calderas humotubulares:

Los humos los que circulan por dentro de

tubos, mientras que el agua se calienta y

evapora en el exterior de ellos, los humos

salen de la caldera a temperaturas superiores a

70 C de forma que se evita la condensación del

vapor de agua que contienen, evitando así

problemas de formación de ácidos y

de corrosión de la caldera.

b) Calderas acuotubulares:

Por dentro de tubos circula el agua y la mezcla de agua y

vapor. Por fuera, generalmente en flujo cruzado,

intercambian calor los humos productos de la

combustión. En este tipo de calderas además el hogar

está conformado por paredes de tubos de agua. En ellas

el intercambio es básicamente por radiación desde la

llama.

c) Calderas pirotubulares:

En este tipo de caldera el humo caliente procedente del

hogar circular por el interior de los tubos gases, cambiando

de sentido en su trayectoria, hasta salir por la chimenea, el

calor liberado en el proceso de combustión es transferido a

través de las paredes de los tubos al agua que los rodea,

son en compensación, muy económicos en costo y de

instalación sencilla, por lo que su utilización actual primordial es para calefacción

y producción de vapor para usos industriales.

3.2 MANUAL DE OPERACIÓN DEL CALDERO

- Llenar el tanque de combustible con 5 galones de Diésel 2.

- Abrir la llave de paso del combustible y la válvula de paso del tanque de agua

desionizada. Luego encienda el ablandador de agua y abra la llave lateral para

que el agua pase por ella, después espere a que se llene el tanque de reserva de

agua hasta 2/3 de su capacidad total.

- Cerciorarse de que todas las llaves de purgas estén cerrada y el paso de salida de

vapor también lo esté.

- Encender el calderón en modo automático: Gire la perilla de la bomba de agua y

del quemador en ON para arrancar el equipo.

- La entrada de agua en la caldera se asegura con la salida del aire en la válvula

McDonnell, que se encuentra en el lado izquierdo del caldero.

- La combustión dentro del hogar se la observa desde el ojo de buey colocado

delante del quemador en la parte baja del caldero.

- Observar los cambios de nivel en los tanques de combustibles y agua hasta la

estabilización del sistema aproximadamente a los 40 minutos de encenderse el

caldero.

- Una vez alcanzada la presión de trabajo (cercana a 38 psia), se abre la válvula de

salida del vapor para el suministro en otros equipos de laboratorio:

intercambiadores de calor, torre de enfriamiento, evaporador de simple efecto,

secador de túnel, columna de destilación.

- Antes de que el vapor ingrese a cada equipo, no olvidar hacer entre 3 o 4 purgas

para eliminar el aire acumulado en las líneas.

- Terminados los procesos donde se use vapor, se procede a apagar el quemador y

luego la bomba del tanque de agua, se cierra el paso del combustible y después

se cierra la válvula de entrada del agua. Se apaga el ablandador y se cierra el

paso de agua.

- Se purga el agua del caldero y el vapor hasta dejarlos totalmente vacíos.

3.3 ESPECIFICACIONES DE LA CALDERA

Tabla 5.1 Especificaciones técnicas del calderoTipo de caldera Pirotubular verticalTemperatura vapor saturado 75°CPotencia motor 2.2 HpCapacidad 15 BHPMarca ThermoconModelo N° 69308Serial N° 1 ½ SRDiámetro exterior de tubos 1”Número de tubos 40Presión de trabajo Hasta 100 PsiPresión de operación 35 PsiTipo de combustible DieselAmperaje 7.7 AConsumo de combustible (máx. carga) 4,6 gal/hVoltaje 120 VAño de fabricación 2010Número de pasos 3Material de los tubos ASTM A-312-T304L

3.4 DIAGRAMA DE LA CALDERA DE OPERACIONES UNITARIAS:

3.5 FOTOS

Figura 5.1: Vista frontal caldero Figura 5.2: Vista frontal tanque de combustible (Diésel n.-2)

Figura 5.3: Vista posterior quemador

Figura 5.4: Vista lateral tanque reservorio de agua tratada

Figura 5.5: Tablero de control del caldero.

Figura 6.6: Resina de ablandamiento de agua.

3.6 EFICIENCIA DE CALDERA

Corresponde al porcentaje o razón de la cantidad de vapor producido en una caldera a

partir de la cantidad de calor administrado por el combustible quemado. La eficiencia de

una caldera, es la relación entre la energía absorbida para la evaporación o generación

de vapor (Q salida) y la suma de energías introducidas al proceso (Q entrada). Q salida /

Q entrada = Eficiencia El diferencial entre ambos, es la energía perdida del proceso

(calor expulsado a la atmósfera). Q entrada - Q salida = Pérdida

4. TORRE DE ENFRIAMIENTO

Una torre de enfriamiento, es un dispositivo cuya finalidad es extraer calor del agua a

través del contacto directo con el aire, teniendo múltiples aplicaciones. El proceso de

termotransferencia que se produce en una torre de enfriamiento de agua, cualquiera que

fuese su tipo, es el resultado de la interacción entre el medio gaseoso refrigerante (aire)

y el fluido a enfriar (agua). En las torres el agua se encuentra en contacto directo con el

aire que la enfría y el proceso de transferencia de calor se realiza en parte por

intercambio de calor sensible entre la fase líquida y la fase gaseosa, pero en mayor

medida por la formación de vapor de agua en la interfase líquido-gas y su posterior

difusión en el aire que la circunda.

El proceso de transferencia de masa entre el líquido y el aire, está íntimamente

relacionado con el de transferencia de calor. En efecto, con el cambio de fase desde

líquido a vapor se absorbe calor lo cual da lugar a gradientes de temperatura en el aire

adyacente a la superficie líquida. En muchos casos prácticos, las condiciones en que se

desarrollan ambos procesos son tales que puede suponerse que la difusividad térmica y

el coeficiente de difusión másico son iguales, es decir el número de Lewis es igual a la

unidad.

4.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE ENFRIAMIENTO

Las torres de enfriamiento utilizan calor latente de los líquidos para enfriarlos. El

proceso es fácilmente explicable de la siguiente manera:

Cuando un líquido a cierta temperatura TL, entra en contacto con un gas inerte a

temperatura TG, más baja que TL, la película de líquido que está en contacto directo

con el líquido se evapora. Para que este líquido pueda cambiar de fase, necesita obtener

energía de algún lugar disponible; la fuente más cercana es el seno del líquido, así que,

al tomar esa energía se produce una disminución de la temperatura de este fluido. Este

es el principal proceso de los enfriadores por evaporación tal como se muestra en la

figura Nº 4. La característica más importante para lograr un enfriamiento efectivo es el

área de contacto entre el gas y el líquido, siendo la forma más eficiente de hacerlo al

fraccionar el agua en la mayor cantidad de gotas posibles. Sin embargo se debe tener en

cuenta de no reducir exageradamente el tamaño porque entonces estas gotas pueden ser

acarreadas por la corriente de aire que atraviesa la torre con la siguiente pérdida de agua

del sistema. El agua que se pierde por evaporación dentro de una torre de enfriamiento

generalmente no llega al 3% del total.

Fig.4. Esquema de enfriamiento por evaporación

4.2 CLASIFICACIÓN DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO

Las torres de enfriamiento modernas se clasifican de acuerdo por los medios por los que

se les suministra aire. Todas emplean hileras horizontales de empaque para suministrar

gran superficie de contacto entre el aire y el agua.

Si el aire se succiona a través de la torre mediante un ventilador situado en la parte

superior de la torre, a esto se llama tiro inducido. Si el aire se fuerza por un ventilador

en el fondo de la torre y se descarga por la parte superior, es un tiro forzado. Las torres

de circulación natural son de dos tipos: atmosféricas y de tiro natural.

TORRES DE TIRO MECANICO

Actualmente las torres de esta clase son las más comunes y de éstas la gran mayoría son

las torres de tiro inducido.

En las torres de tiro inducido por otra parte, el aire puede entrar a lo largo de una o más

paredes de la torre y como resultado, la altura requerida de la torre para entrada de aire

es muy pequeña. En la torre de tiro forzado el aire se descarga a baja velocidad a través

de una gran abertura en la parte superior de la torre. En estas condiciones el aire posee

una cabeza de velocidad pequeña y tiende a sentarse en la trayectoria de entrada del

ventilador. Esto significa que la succión del aire fresco se contamina con aire

parcialmente saturado que ya ha pasado a través de la torre con anterioridad. Cuando

esto ocurre se conoce como recirculación y reduce la capacidad de trabajo de las torres

de enfriamiento. En las torres de tiro inducido el aire se descarga a través del ventilador

a alta velocidad, de manera que se proyecta hacia arriba (hacia las corrientes naturales

del aire) que evitan su asentamiento posterior. La alta velocidad de descarga de las

torres de tiro inducido causa también algo más de arrastre o pérdidas de agua por gotas

que son arrastradas por la corriente de aire.

Fig.1. Esquema de una torre de enfriamiento de tiro inducido

Fig.2. Esquema de una torre de enfriamiento de tiro forzado

TORRES DE CIRCULACIÓN NATURAL

Son usadas mayormente en Europa y en el oriente. La torre atmosférica aprovecha las

corrientes atmosféricas de aire. El aire penetra a través de los rompevientos en una sola

dirección, cambiando con la estación del año y las condiciones atmosféricas. En lugares

expuestos que tienen vientos con velocidades promedio de 5 ó 6 millas por hora, la torre

atmosférica puede ser la más económica y donde los costos de energía pueden ser altos,

pueden ser preferibles a velocidades de aire tan bajas como 2 ½ a 3 mph. Puesto que las

corrientes atmosféricas penetran a todo el ancho de la torre, las torres se hacen muy

angostas en comparación con otros tipos, y deben ser muy largas para una capacidad

igual.

Fig.3. Esquema de una torre de enfriamiento de circulación natural

4.3 MANUAL DE OPERACIÓN DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO

- Verificar que la cisterna de la torre esté llena y que el depósito de agua desde

donde se va a bombear al calentador también esté lleno. Mantener abierta la

válvula de la línea de agua de compensación de la cisterna

- Asegurarse que las líneas de entrada y salida de agua a la torre estén abiertas

- Calibrar los flujos de agua con el manómetro diferencial o pesando volúmenes

- Prender la bombas de circulación de agua, y establecer un flujo determinado

tanto para el agua que va al calentador como para el agua que va a la torre

- Hacer circular las corrientes por los intercambiadores de calor y por la torre

durante unos tres minutos como mínimo.

- Prender el ventilador y ajustar un valor de frecuencia con el variador.

- Fijar una presión de vapor entre 5 – 20 psig y permitir el ingreso de vapor al

calentador.

- Ajustar las condiciones de operación adecuadas para lograr obtener el caudal

necesario de agua de compensación.

- Luego de realizar la operación necesaria se apagan los equipos que generan el

medio de calefacción se apaga la bomba de agua de enfriamiento que alimenta a

la torre, así como la alimentación de agua de compensación y finalmente el

ventilador.

4.4 GEOMETRÍA DE LA TORRE DE ENFRIAMIENTO DE TIRO INDUCIDO FLUJO CRUZADO DEL LOPU

Agua caliente tL2

ṁL

Q tG1

Aire salida Z = 1.12m Aire entrada

tw2 tw1

Agua fría tL1 tM

Tiro inducido, flujo cruzado Área de piso: 1.93 m2 Altura de torre: 1.12 m Área de ventana de salida de aire: 1.23 x 1.53 m Ventilador de 2HP (máx. temp. amb.: 40ºC)

4.5 FOTOS

5. COMPRESOR

Son maquinas que aspiran aire ambiente a la presión y temperatura atmosférica y lo

comprime hasta conferirle una presión superior. Son las maquinas generadoras de aire

comprimido. Existen varios tipos de compresores, dependiendo la elección de las

necesidades y características de utilización.

5.1 TIPOS DE COMPRESORES

Compresores alternativos

Compresores a pistón

Compresores a membrana

Compresores rotativos

Compresores a paletas

Compresores a tornillo

Compresores roots

Turbocompresores

Compresores radiales

Compresores axiales

5.2 MANUAL DE OPERACIÓN DEL COMPRESOR

- Verifique que el área de trabajo se mantenga en orden.

- Revise que el filtro de aire este en la cabeza del cilindro.

- Casi siempre cuando se entrega el compresor, contiene poco aceite. Llene el

compresor hasta que se alcance el círculo rojo en el nivelador de aceite.

- Retire el tapón de transporte (sin orificio) y coloque el tapón del depósito de

aceite.

- El compresor dejará de operar automáticamente a una presión de 800 kPa (116

PSI). Cuando se vuelva a utilizar el aire y la presión el tanque se reduzca a 600

kPa (87 PSI), el compresor podrá arrancar nuevamente.

- Para poder ajustar la presión adecuada, el compresor cuenta con una válvula de

reducción, esta válvula puede ajustar la presión del receptor de aire.

- El ajuste de la válvula de reducción se lleva a cabo de la siguiente manera:

presione el interruptor para ajustar la presión adecuada (hacia la izquierda para

bajar la presión, hacia la derecha para subirla). Se puede leer el ajuste de presión

en el manómetro.

- Prenda el compresor por medio del interruptor de encendido.

- El compresor ahora podrá funcionar, a menos que el receptor deaire se encuentre

aún bajo presión (manómetro).

- Las piezas funcionales de la máquina podrían calentarse durante la operación.

Deje enfriar la máquina después de utilizarla.

- Después de cada uso, el tanque deberá ventilarse y se deberá secar cualquier

resto de humedad.

5.3 PARTES DEL COMPRESOR

1. Filtro de aire

2. Manómetro

3. Presión del tanque

4. Válvula de salida

5. Tapón de depósito de aceite

6. Perilla reguladora

7. Indicador de nivel de aceite

8 Drenaje del tanque

9. Interruptor de encendido

10. Válvula de seguridad

5.4 FOTO

Marca Ingersoll Rand, modelo S5-3, serial B007334

Capacidad: 60 gal. Presión max: 135 psi Rango aportado: 13.2 CFM Potencia de motor: 1HP Empaquetadura de policarbonato

6. RECOMENDACIONES

- Hacer limpieza periódica de los equipos para evitar la acumulación de polvos y

líquidos que podrían afectar su funcionamiento y durabilidad.

- Suministrar de manera eficiente la alimentación con la que trabajan para llevar a

cabo una buena práctica.

- Realizar mantenimiento constantemente para evitar su deterioro.

7. CONCLUSIONES

Se debe mantener muy presente el cuidado necesario al trabajar con estos equipos tanto en la operación así como su almacenamiento ya que esto nos asegura que los procesos realizados con estos equipos tendrán resultados muy confiables.

Para los cálculos que se deben presentar en los informes es importante tener los equipos en buen estado ya que estos resultados no se alejaran tanto de los valores teóricos que previamente son calculados.

Se estudiaron las características de estos equipos con el fin de lograr una buena práctica a largo de la materia tanto teórica como la práctica.

8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Calderon Torres .Apuntes del Curso Termodinámica II Daniel Herencia: Refrigeración y Aire acondicionado Donald Kern. Transferencia de Calor Huenul, Julio. 2000. Generación y Distribución del Aire Comprimido, Apuntes

de Oleohidráulica, Neumática y Autómatas Programables P.L.C.Liceo Industrial de Concepción A-31, Concepción, Chile, pp. 119 a 127.

ELABORADO POR:

LUDY RIVAS.