Uso del vapor en la industria textil y el vapor en la generación de energía eléctrica

Máquina térmica generadora de Energía – Termodinámica

2015

Uso del vapor en la industria textil y el vapor en la generación de energía

eléctrica

Facultad de Ingeniería y ArquitecturaDepartamento de Ingeniería Industrial

Working Adult

Docente : Ing. José Huapaya B.Clase : 20055405Ciclo : V

Participantes:

Nota Exposición

Nota Trabajo

Nota Final

Burlando Mendoza, MartinDiaz Diaz, Rosa

Shapiama Mendieta, CharlesRiquez Gamboa, Sussan


Dedicatoria

A Dios, a nuestros padres y docente con mucho respeto y agradecimiento de cora-zón por las enseñanzas que nos brindaron.

Asimismo a todas las personas que nos apoyaron con su conocimiento y experien-cia para poder cumplir con este proyecto de investigación y aprendizaje.

INDICE

INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................... 3

OBJETIVOS................................................................................................................................................ 3

CAPÍTULO I................................................................................................................................................ 4

MARCO TEÓRICO...............................................................................................................................................41. Historia:............................................................................................................................................42. ¿Qué es una central térmica?...........................................................................................................43. ¿Cómo funciona una central térmica?..............................................................................................54. ¿Qué es una caldera?.......................................................................................................................75. Componentes de una caldera:..........................................................................................................76. Tipos de calderas:.............................................................................................................................87. Impacto ambiental:..........................................................................................................................9

CAPÍTULO II............................................................................................................................................. 10

APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA TEXTIL....................................................................................................................10TEÑIDO EN LA INDUSTRIA TEXTIL............................................................................................................101. Materia Prima:...............................................................................................................................102. Preparación de Fibras:....................................................................................................................103. Hilandería:......................................................................................................................................114. Tejeduría:.......................................................................................................................................115. Tintorería:.......................................................................................................................................116. Confección:.....................................................................................................................................12

CAPÍTULO III............................................................................................................................................ 13

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.........................................................................................................................13Problema N° 01:......................................................................................................................................13Problema N° 02:......................................................................................................................................14a. Potencia de la turbina:...................................................................................................................14b. Calor que recibe el condensador:....................................................................................................15c. Potencia de la bomba:....................................................................................................................15d. Calor absorbido por el agua en la caldera:.....................................................................................15

CAPÍTULO IV............................................................................................................................................ 16

EXPERIMENTO.................................................................................................................................................16a. Materiales:.....................................................................................................................................16b. Fabricación:....................................................................................................................................16c. Procedimiento:...............................................................................................................................17d. ¿Porque sucede esto?....................................................................................................................17

REGISTRO FOTOGRÁFICO........................................................................................................................ 18

CONCLUSIONES:...................................................................................................................................... 19

SIGNIFICADO DE ALGUNOS TÉRMINOS CITADOS EN EL PRESENTE INFORME.............................................20

FUENTES BIBLIOGRÁFICAS:...................................................................................................................... 21


Introducción

El presente informe de investigación tiene por objetivo ampliar nuestro conocimiento en temas de centrales térmicas, además de atreves de materiales propios entender el funcio-namiento de una máquina térmica generando energía eléctrica a través de la energía me-cánica.

Nuestro informe está constituido por 4 capítulos: Marco teórico (Capítulo I); Aplicación en la industria textil (Capítulo II); Planteamiento y resolución del problema (Capítulo III) y experimento (Capítulo IV).

Objetivosa. Generales:

Mostrar los tipos de intercambiadores de calor y una aplicación real en el área in-dustrial a través del uso de un sistema conocido como Caldero.

b. Específicos: - Definir que es un intercambiador de calor y sus tipos.- Conocer cuál es la función de una caldera y que tipos existen.- Determinar mediante cálculos la eficiencia de energía de la caldera, para evaluar la utilización de otros métodos más eficientes y ahorro de energía en planta.

Máquina térmica generadora de Energía – Termodinámica 3

Capítulo I

Marco teórico

1. Historia: La primera central termoeléctrica fue construida por Sigmund Schukert en la ciudad de Ettal en Baviera (Alemania) y entro en funcionamiento en el año 1878. Las primeras centrales comerciales fueron la Central de Pearl Street en Nueva York y la Edison Elec-tric Ligth Station en Londres, que comenzaron su funcionamiento en el año 1882.

2. ¿Qué es una central térmica? Se denomina CENTRALES TÉRMICAS a las plantas generadoras que producen energía eléctrica a partir de la energía térmica, esto ocurre transformando la energía química de un combustible (gas, carbón, fuel) en energía eléctrica. Este tipo de instalaciones en donde la energía mecánica que se necesita para mover el generador (y por lo tanto obtener la energía eléctrica) se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera.

Todas las centrales térmicas siguen un ciclo de producción de vapor destinado al accio-namiento de las turbinas que mueven el rotor del generador.

Grafico N° 01 – Esquema de una central térmica


3. ¿Cómo funciona una central térmica? A continuación detallaremos de forma concreta el funcionamiento de una central tér-mica.

Grafico N° 02 – Funcionamiento de una central térmica

Caldera: En la caldera de una central térmica se quema el combustible (carbón, fuel o gas) y así la energía química contenida en este se transforma en calor. Esta energía calorífica se utiliza para transformar el agua en vapor a alta temperatura y presión (alrededor de 170bar y 540°C). Los gases generados por la combustión se escapan de la caldera y an-tes de ser emitidos a la atmosfera son tratados por los equipos de reducción de emisio-nes.

Combustible: En las centrales térmicas el combustible consumido puede ser solido (carbón), liquido (fuel-oil o gasoil). Al quemar el combustible en la caldera, se transforma la energía quí-mica de este en energía térmica.


Turbina de vapor: El vapor producido en la caldera mueve los alabes haciendo girar la turbina. De esta forma, la energía contenida en el vapor pasa y se transforma en energía mecánica de rotación.

Alternador: El alternador esta acoplado a la turbina de vapor y es movida por esta. Su función es convertir la energía mecánica de rotación de la turbina en energía eléctrica.

Transformador: El transformador eleva la tensión de la energía eléctrica generada por el alternador (normalmente entre 6 y 20kV) hasta la tensión de la red de transporte (220 o 440kV).

Red eléctrica: La red eléctrica recibe la electricidad de las centrales generadoras y la transporta hasta los puntos de consumo. La red eléctrica posee un alto grado de mallado así como inter-conexiones con redes de otros países, lo que permite minimizar los efectos de fallo en un equipo de generación o en la propia red de transporte.

Condensador: El vapor que ha cedido su energía a la turbinas dirigido al condensador, donde pasa de nuevo al estado de agua líquida antes de incorporarse de nuevo al ciclo. Para conden-sar el vapor se utiliza como foco frió de agua de mar, río o bien un circuito cerrado de refrigeración por aire mediante una torre de refrigeración.

Bomba de circuito de refrigeración: La bomba asegura la circulación del agua de refrigeración entre el condensador y la fuente fría (un rio, el mar o una torre de refrigeración).

Equipo de reducción de emisores: En las centrales térmicas, antes de que los gases de combustión procedentes de la cal-dera sean emitidos por la chimenea, son trataos para captar los elementos contami-nantes. Las centrales disponen de precipitaderos electrostáticos, que captan por medio de campo eléctricos (con rendimiento superiores al 99%) las partículas de ceniza de los gases de combustión.

Chimenea: Una vez tratados por los equipos de reducción de emisiones, los gases de combustión (en su mayoría C02) son evacuados a la atmosfera por la chimenea, de forma que se asegure una dispersión suficiente.

Torre de refrigeración:


Su función es enfriar el agua del circuito de refrigeración. El aire recorre el interior de la torres en sentido ascendente, enfriando el agua que cae en sentido contrario en forma de gotas.

4. ¿Qué es una caldera? Es una máquina de ingeniería que está diseñado para generar vapor saturado. Este vapor saturado se genera a través de una trasferencia de energía (en forma de calor) en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se caliente y cambia de estado. La transferencia de calor se efectúa mediante un proceso de combustión que ocurre al interior de la caldera, elevando progresivamente su presión y temperatura.

5. Componentes de una caldera:

Grafico N° 03 – Estructura de una caldera


6. Tipos de calderas: Las calderas se clasifican según su diseño en pirotubulares o acuotubulares. Sin embar-go, pueden ser clasificadas desde otros aspectos, que incluyen, por el tipo de materia-les que están construidos, por su aplicación, por la forma de toma de aire, por el tipo de combustible que utilizan, por la presión con la que operan o por el fluido portador de calor que emplean.

a. Calderas Acuotubulares: Son aquellas en las que el fluido de trabajo se desplaza a través de tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permi-ten altas presiones de salida y gran capacidad de generación.

Normalmente en la industria se utilizan las calderas de vapor a presiones inferiores a 64kg/cm2 y temperaturas inferiores a 450ºC.

Grafico N° 04 – Estructura de una Caldera Acuotubular


b. Calderas Pirotubulares:

En este tipo el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente, y es atravesa-do por tubos donde circula fuego y gases producto de un proceso de combustión.

Estas calderas varían según el combustible a utilizar, sean de carbón, líquido o gaseo-so. Los gases de combustión son obligados a pasar por el interior de unos tubos que se encuentran sumergidos en el interior de la masa de agua y en todo en conjunto se encuentra rodeado por una carcasa exterior.

La presión de trabajo no excede de 29kg/cm2 y la máxima producción de vapor suele ser del orden de 25t/h.

Grafico N° 05 – Estructura de una Caldera Pirotubular

7. Impacto ambiental: Las plantas termoeléctricas son consideradas fuentes importantes de emisiones at-mosféricas y pueden afectar la calidad del aire en el área.

La combustión que ocurre en los proyectos termoeléctricos emiten dióxido de sulfuro (SO2), óxidos de nitrógeno (NOx), monóxido de carbono (CO, dióxido de carbono (CO2) y partículas que pueden contener metales menores, las cantidades de cada uno depen-derán del tipo y el tamaño de la instalación además del tipo y calidad del combustible y la manera en que se queme.


Capítulo II

Aplicación en la industria textil

TEÑIDO EN LA INDUSTRIA TEXTIL El arte de teñir una tela es de raíz milenaria. Las tinturas artesanales datan de las antiguas civiliza -ciones (china, persa, egipcia e india), que se valían de colorantes naturales para colorear las telas. Hoy con el desarrollo de los colorantes sintéticos, se ha ampliado y facilitado el horizonte del teñi -do de telas.

Los métodos de aplicación presentan características propias de cada familia de colorantes emplea-das, que a su vez se corresponden con el/los tipo/s de fibras presentes en una tela.

En un proceso Textil completo encontramos diversas áreas antes de realizar el teñido, a continua-ción veremos las operaciones ligadas a la elaboración de telas mediante el siguiente flujo de pro-ceso.

1. Materia Prima: Es el insumo inicial que puede ser de origen Natural o No Naturales, por ejemplo

1.1 Natural

- De origen vegetal : Algodón, Lino, Cañamo- De origen animal : Lana, Vellón, Seda

1.2 No Natural

- Artificiales: Acetato, Viscosa, Rayón

- Sintéticos: Acrílicos, Poliamida, Nylon

2. Preparación de Fibras: Aquí se realiza la sección de la materia prima y se somete a un proceso de limpie-za.


Materia Prima

Preparación de Fibras

Hilandería Tejeduría TintoreríaConfección

3. Hilandería:

Después de seleccionar, combinar y realizar el tratamiento de las fibras se procede a la elaboración del hilado.

4. Tejeduría:

Una vez preparado los conos de hilo se procede a fabricar las telas siguiendo los dise-ños previstos. Encontramos por lo general áreas de tejeduría Plana y de Punto.

5. Tintorería: Luego del tejido se procede según el tipo de tela a los procesos de lavado, mercerizado y blanqueo, con el fin de teñir el material bajo sistemas que sumergen el producto y a la vez calientan la solución de agua y tinte para que pueda impregnarse a la tela el color de acuerdo a diseño.

En esta etapa se requiere de calentar por etapas el tanque donde se encuentra el pro-ducto a través del ingreso de vapor que recirculará a través de intercambiadores de calor calentando la solución. Otro punto vital es el nivel de tinte aplicado al volumen de agua se deberá controlar. En estos tanques de preparación la tela se encuentra girando continuamente para poder emparejar el teñido en el caso de telas. Se monitorea de igual forma el nivel de PH de la solución para poder agregar.


Las etapas de temperatura vienen dadas según el tipo de tinte y dependerán de la ve-locidad con la que la máquina calentaría la solución. La velocidad de calefacción está relacionada con el diámetro de las tuberías del intercambiador y la velocidad de flujo de vapor suministrado por la caldera.

6. Confección: La elaboración de la prenda de vestir involucra diversos procesos e insumos. Los men-cionamos a continuación:

- Diseño : Se realza el proceso de planeamiento del producto que se desea elabo-rar, desde los insumos a utilizar, hasta los procedimientos a emplear.

- Pre-costura : Se realiza el tendido de la tela, corte, inspección y habilitado.- Costura : Se unen las piezas previamente acondicionadas de acuerdo al diseño.- Acabado : Se dan los últimos acabados a la prenda, tales como ojales, botones,

entre otros. Se realiza el control de calidad, planchado, doblado, embolsado y se obtiene el producto final.


Capítulo III

Planteamiento del problema

Plantearemos a continuación ejercicios relacionado a lo aprendido en clase:Área: producción de polos en algodón.

Problema N° 01: Calcular la potencia (BHP) para una caldera pirotubular la cual deberá abastecer las si-guientes unidades de vapor:

Cant. C.N Sub Total

2 1560 3120

3 1330 3990

2 1670 3340

3 1,000 3,000

Total 13450

Calculemos la potencia de la caldera:

1BHP 34.5 lb h

X 13450 kg (2.2) lb h kg

Conclusión: Aplicando lo aprendido en clases, comprobamos que la potencia requerida, para el área de producción de algodón, es de 857.7 BHP.


13450 kg h

X =29590 lb x 1 BHP h X = 857.7 BHP

34.5 lb h

Problema N° 02: Con los sgtes datos proporcionados, determinaremos:

a. Potencia de la turbina: Potencia de la turbina = °mv (h1-h2)

Potencia de la turbina = x x 2.2 h kg (3600) s30000 lb (3173.8 - 2776.6 )KJ ( 1 ) h

Potencia de la turbina = = 1504.6 Kw s1504.6 KJ

Equivalencias:1 hp 0.746 kw X = 1504.6 kw (1 hp)x hp 1504.6 kw 0.746 kw

X = 2016.89 hp


P= 100 barT= 100°Ch4= 462.3KJ kg

T= 190°Ch3= 418 KJ kg

P= 15 barT= 190°Ch2= 2776.6 KJ kg

P= 90 barT= 450°Ch1= 3173.8 KJ kg

°mv = 30000 lb h

b. Calor que recibe el condensador:

Calor en el condensador = °mv(h2-h3)

Calor en el condensador = 30000 lb x (2776.6 - 418)KJ

2.2 h kg

Calor en el condensador =32,162,727.3

0 KJ

h*Equivalencias:

1 kcal 4.184 KJ X = 32162727.3 KJ/h (1)kcalx kcal 32,162,727.30 KJ 4.184 KJ

X = 7687076.31 Kcal H

c. Potencia de la bomba: Potencia de la bomba = °mv(h4-h3)

Potencia de la bomba = 30000 lb x (427.3 - 418 )KJ x ( 1 ) h

2.2 h kg (3600) s

Potencia de la bomba = 35.2 KJ = 35.2 kw

SEquivalencias:

1 hp 0.746 kw X = 35.2 Kw (1 hp)x hp 35.2 Kw 0.746 kw

X = 47.18 hp

d. Calor absorbido por el agua en la caldera:

q = 30000 lb (427.3 - 418 )KJ 2.2 h kg


q = °mv(h1-h2)

q = 126818.18 kJ h

Capítulo IV

Experimento

No basta con solo observar sino también generar y resolver nuestras dudas, en este capítulo reali-zaremos un experimento básico para comprender la generación de la energía a través de materia -les simples al alcance de todos.

a. Materiales:

Una base de madera de 25 x 20 cm. Un listón de 18 x 3 x 2 cm. Un disco de triplay u otro. 2 latas vacías. Un taco de madera de6 x 3 cm. Un stabol de 1 ¼” x 1/8 “. 8 aletas de cucharas de plástico. Un dinamo. 3 espárragos con 3 tuercas de 3/16” Un led de 5 mm.

b. Fabricación: Paso N° 01:Construye el soporte de la turbina.

Paso N° 02:En el centro del parante vertical del soporte de la turbina practica un agujero de 5/8 de diáme -tro.

Paso N° 03: Une el soporte de la turbina a la base de la madera, mediante el taco de madera y ellos atra -viesan el stobol.

Paso N° 04:Realizar 8 hendiduras en el disco de triplay, en ellas las fijas las aletas de cucharas de plástico.

Paso N° 05: Recorta una lata con su mismo diámetro el mismo y 4 cm de altura.


Paso N° 06:Haz un agujero pequeño en la otra lata y con la jeringa extrae su contenido.

Paso N° 07:Une el tapón, el tubo y el ángulo, en el extremo libre del tapón fija el led con sus respectivos cables.

Paso N° 08:Fija tres espárragos sobre el extremo libre de la base de madera de manera que calce exacta-mente la base de la lata.

Paso N° 09:Construye la turbina del generador, utiliza para ello el disco y las 8 aletas. Luego, introduce en el eje del dinamo.

Paso N° 10:Fija el dinamo en la parte superior del soporte.

Paso N° 11:Une los cables del led con los terminales del dinamo.

Paso N° 12:Finalmente, coloca la lata recortada sobre la base.

Paso N° 13:Fija la lata entera entre la base y la turbina.

c. Procedimiento:

Paso N° 01:En el calentador vertir el ron de quemar hasta un centímetro antes del borde.

Paso N° 02:Vertir 50 cmᵌ de agua en el calentador (lata) con una jeringa hipodérmica, luego colocalo en el soporte formado por las tres tuercas.

Paso N° 03:Ubica la turbina sobre la parte superior del caldero, justo debajo del agujero de la lata.

Paso N° 04:Enciende el ron, después de varios minutos comenzara a hervir el agua, el vapor saldrá por el agujero; éste moverá la turbina haciendo girar alrededor de su eje y observamos que el led encenderá.

d. ¿Porque sucede esto?

El ron (combustible) tiene una energía interna propia del movimiento e interacción de sus mo-léculas, al quemarse (combustión con el oxígeno) se libera energía calorífica (candela). Esta a su vez calienta el aire y otra parte calienta el agua, la energía interna del agua va aumentada has -


ta el punto de ebullición, el agua pasa de líquido a vapor, pero a una temperatura constante (100°c a nivel del mar), en estas condiciones las moléculas del vapor de agua se mueven a gran velocidad y en toda dirección se le ha transferido energía cinética parte de esa energía se trans-fiere a la pared interior la lata al chocar las moléculas a gran velocidad (presión interna) , otros saldrán por el orificio pequeño o modo de chorro de vapor, parte ira al aire del medio ambien-te.

Registro fotográfico


Conclusiones:

Mediante la investigación realizada comprendemos la importancia de la generación de vapor como fuente de energía eléctrica, además del aprendizaje de los cálculos de potencia de bomba, potencia en la turbina, perdida de calor, calor requerido entre otros.

Entendemos el significado de lo aprendido en que como ingenieros en formación somos responsa-bles de diferentes procesos que se pueden situar en la industrial


Significado de algunos términos citados en el presente informe

1. Energía térmica: Es la parte de energía interna de un sistema termodinámico en equilibrio que es proporcional a su temperatura absoluta y se incrementa o disminuye por transfe-rencia de energía, generalmente en forma de calor o trabajo, en procesos termodinámi-cos.

2. Energía química : Es la que se produce en las reacciones químicas. Una pila o una batería poseen este tipo de energía. Ej.: La que posee el carbón y que se manifiesta al quemarlo.

3. Energía calorífica: también energía calórica o energía calorífica, es la manifestación de la energía en forma de calor.

4. Energía mecánica : Es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un sistema mecánico

5. Vapor saturado: es vapor a la temperatura de ebullición del líquido. Es el vapor que se desprende cuando el líquido hierve. Se obtiene en calderas de vapor.

6. Proceso de combustión : es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de Energía en forma de calor y luz, manifestándose visual-mente gracias al fuego, u otros.

7. Entalpía: Es una propiedad termodinámica que está relacionada con la energía interna y la energía de flujo PV.

8.


FUENTES BIBLIOGRÁFICAS:

[1] Tema: Historia de la central térmica, recuperado de:

http://www.monografias.com/trabajos97/calderos-tipos/calderos-tipos.shtml

[2] Tema: Como funciona una central térmica, recuperado de:

http://www.ipsi.cat/apunts/Animacions/Termica.swf

[3] Tema: Componentes de una caldera, recuperado de:

http://www.calderaspimmsa.com.mx/c052_descargas/c052_componentes_cph-3_plus.-pdf

[4] Tema: Tipos de calderas, recuperado de:


[5] Tema: Impacto ambiental de las centrales térmicas, recuperado de:

https://es.wikipedia.org/wiki/Impacto_ambiental_potencial_de_proyectos_de_centrales_termoel%C3%A9ctricas





http://www.calderaspimmsa.com.mx/c052_descargas/c052_componentes_cph-3_plus.pdf

http://www.calderaspimmsa.com.mx/c052_descargas/c052_componentes_cph-3_plus.pdf

http://www.ipsi.cat/apunts/Animacions/Termica.swf


Uso del vapor en la industria textil y el vapor en la generación de energía eléctrica

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