Termotecnia

Argumento de Termotecnia

El libro empieza con un recordatorio de los conceptos básicos que se utilizarán a lo largo del mismo, capítulo 1.

El capítulo 2 se dedica a la circulación de fluidos por tuberías, dado que deben conducirse líquidos y gases desde un punto a otro, como medios de transporte de materia, calor, frío o energía mecánica.

Las máquinas operadoras que actúan sobre estos fluidos comunicándoles la energía necesaria para que puedan circular se presentan en los cuatro capítulos siguientes (capítulos 3, 4, 5 y 6) dedicados, respectivamente, al

estudio de bombas, ventiladores, compresores y máquinas de vacío.

Dichas máquinas operadoras consumen energía mecánica, requiriendo la colaboración de máquinas motoras, por lo que el capítulo 7 está dedicado a turbinas de vapor, turbinas de gas y motores de combustión interna.

Se ha creído conveniente incluir también los motores eléctricos, aunque estrictamente su estudio no debería incluirse en la termodinámica.

En muchas industrias se trabaja con fluidos calientes y fríos (tuberías, depósitos, reactores) y debe minimizarse la disipación no deseada de calor y frío. El capítulo 8 está dedicado al aislamiento térmico.

Gran cantidad de operaciones y procesos se realizan a temperatura distinta de la atmosférica, como por ejemplo, conservación de productos alimentarios, concentración por evaporación de disolventes, reactores, etc. En consecuencia

se dedican tres capítulos a la generación de calor, producción de frío y redes de distribución de los mismos (capítulos 9, 10 y 11).

Dado que la energía es escasa y cara, interesa conseguir el efecto deseado con el menor consumo de la misma, por lo que, en el capítulo 12, se han introducido técnicas dedicadas al ahorro energético.

Teniendo en cuenta la creciente sensibilidad en temas afines a la conservación del medio ambiente y sostenibilidad de procesos, a pesar que pueda parecer un poco fuera de lugar en un libro enfocado a temas industriales, se ha

dedicado el capítulo 13 a las energías renovables, aunque lógicamente, no con la extensión ni el detalle con que se estudiarían en un texto dedicado exclusivamente a las mismas.

Por último, como ya se ha dicho, la industria química produce un bien útil consumiendo materia y energía. Para realizar esta labor dispone de un abanico de distintas materias, distintas fuentes energéticas y distintas tecnologías; el técnico debe ser capaz de averiguar cuál es el coste energético de un proceso y escoger el más idóneo, por lo que se dedica el

último capítulo al tema de la gestión energética (capítulo 14).

A lo largo del texto se han incluido ejemplos de cálculo con su resolución detallada, así como los gráficos y las tablas precisos. La dificultad es variable, pero todos ellos son una aplicación directa de los temas expuestos a lo largo de cada capítulo.1Capítulo 1
Conceptos básicos
1. Introducción
2. Sistema, superficie de control, proceso y ciclo
3. Principio de conservación de la materia
4. Trabajo de un fluido
5. Principio de la conservación de la energía
(1er principio de la Termodinámica)
5.1 Ecuación de la energía aplicada a un sistema
cerrado reversible
5.2 Ecuación de la energía aplicada a un sistema abierto
estacionario reversible
6. Ecuación complementaria de la energía
7. Ecuación de Bernouilli
8. Trabajo de expansión adiabática y reversible (sin rozamiento)
9. Trabajo de expansión isoterma reversible
10. Calor y trabajo en un ciclo cerrado
11. Segundo principio de la Termodinámica y entropía
12. Rendimiento de Carnot
13. Diagramas termodinámicos y representación de procesos simples
13.1 Diagrama entalpía-entropía (h-s)
13.2 Diagrama temperatura-entropía (T-s)
13.3 Diagrama presión-entalpía (p-h)
14. Transmisión de calor
14.1 Conducción
14.1.1 Pared plana
14.1.2 Pared cilíndrica
14.1.3 Pared esférica
14.2 Convección
14.2.1 Convección natural sin cambio de estado
14.2.2 Convección forzada sin cambio de estado
14.3 Radiación
14.3.1 Leyes fundamentales
14.3.2 Intercambio de calor entre superficies radiantes
14.4 Coeficiente global de transmisión de calor
conducción-convección
14.4.1 Pared plana
14.4.2 Pared cilíndrica
14.4.3 Pared esférica
14.5 Coeficiente global de transmisión de calor
convección-radiación
14.7 Flujo de calor a través de la pared de una tubería
a temperatura variable
Capítulo 2
Circulación de fluidos en tuberías y conductos
1. Tipos de fluidos y viscosidad
1.1 Unidades
2. Régimen de circulación y número de Reynolds
2.1 Otras formulaciones del número de Reynolds
3. Pérdida de carga en una tubería
3.1 Factor de rozamiento
3.2 Ecuación de Hazen - Williams
3.3 Diagramas de pérdida de carga
4. Red de tuberías para líquidos
4.1 Tubería lineal sin ramificaciones
4.2 Cálculo de la pérdida de carga en una red
4.3 Tipos de redes
4.4 Equilibrado de redes
5. Red de distribución de aire y gases a baja presión
5.1 Cambio de velocidad
5.2 Diámetro equivalente
5.3 Presión estática, presión dinámica y presión total
5.4 Equilibrado de redes
6. Red de distribución de aire y gases a presión superior a la atmosférica
6.1 Circulación de un gas húmedo
7. Red de distribución de vapor
8. Prevención de dilataciones
9. Apéndice
Referencias
Capítulo 3
Bombas
1. Introducción
1.1 Tipos de máquinas
2. Bombas cinéticas
2.1 Introducción
2.2 Potencia consumida y rendimiento
2.3 Leyes de semejanza
2.4 Cavitación, presión requerida (NPSHr) y presión
disponible (NPSHd) en la boca de aspiración
2.5 Curvas características
2.5.1 Curva presión-caudal (H-V)
2.5.2 Curva potencia-caudal (W-V)
2.5.3 Curva rendimiento-caudal ( - V)
2.5.4 Curva de la presión requerida
en la aspiración-caudal (NPSHr-V)
2.6 Punto de trabajo de una bomba
2.6.1 Cálculo del punto de trabajo de la bomba
2.7 Regulación del caudal en un circuito
2.7.1 Regulación mediante una válvula en serie
2.7.2 Regulación mediante un sistema de válvula y bypass
2.7.3 Regulación mediante el control
de la velocidad de giro [3]
2.7 Asociación de bombas
2.7.1 Asociación en paralelo
2.7.2 Asociación en serie
2.8 Posibles soluciones para evitar la cavitación
3. Bombas volumétricas alternativas
3.1 Tipos de bombas
3.2 Variación del caudal instantáneo
3.3 Curvas características
3.3.1 Relación presión-caudal
3.3.2 Relación rendimiento-caudal
3.3.3 Presión neta requerida en la boca
de aspiración (NPSHr) y cavitación
3.3.4 Presión neta positiva disponible en la aspiración
3.4 Depósito amortiguador
4. Bombas volumétricas rotativas
4.1 Tipos de bombas
4.2 Características
4.2.1 Rendimiento
4.2.2 Caudal
4.2.3 Potencia en el eje
4.4.4 Presión requerida en la aspiración
5. Bombas dosificadoras
6. Bombas especiales
6.1 Bombas magnéticas
6.2 Bombas vortex
6.3 Circuladores
6.4 Bombas sumergibles
6.5 Elevadoras de tornillo de Arquímedes
6.6 Manipuladoras de tornillo
6.7 Bomba de cilindro y émbolo móvil
7. Bombeo de líquidos viscosos
7.1 Corrección de las curvas características
de las bombas centrífugas
8. Bombeo de líquidos con sólidos en suspensión
9. Bombeo de líquidos con gases disueltos
10 .Criterios de selección del tipo de bombas
10.1 Selección de la bomba en función del tipo de fluido
10.2 Selección de la bomba en función
de las condiciones de trabajo
10.3 Selección de la bomba en función del punto de trabajo
10.4 Selección de la bomba en función del NPSHr
10.5 Selección de la bomba en función del coste energético
10.6 Selección de la bomba en función del coste económico
Referencias
Capítulo 4
Ventiladores y soplantes
1. Introducción
2. Tipos de ventiladores
2.1 Ventiladores centrífugos
2.2 Ventiladores axiales
3. Leyes de semejanza
4. Curvas características
4.1 Curva presión – caudal
4.2 Curvas potencia-caudal y rendimiento-caudal
4.3 Influencia de la densidad
5. Elección del ventilador
6. Punto de trabajo
7. Zona de trabajo
8. Regulación del caudal
8.1 Persiana reguladora en la impulsión (damper)
8.2 Álabes de geometría variable en la aspiración
8.3 Velocidad de giro variable
9. Ruido
10. Asociación de ventiladores
10.1 Ventiladores en serie
10.2 Ventiladores en paralelo
Referencias
Capítulo 5
Compresores
1. Introducción
2. Conocimientos básicos
2.1 Compresión isentrópica
2.2 Compresión politrópica
2.3 Compresión isoterma
2.4 Compresión por etapas
3. Compresores alternativos
3.1 Relación de compresión máxima teórica
3.2 Diagrama del indicador
3.3 Rendimiento isentrópico indicado
3.4 Rendimiento volumétrico
3.5 Caudal volumétrico y caudal másico
4. Compresores cinéticos (turbocompresores)
4.1 Turbocompresores de circulación axial
4.2 Turbocompresores de circulación radial
4.3 Comportamiento de los turbocompresores
5. Compresores rotativos de desplazamiento positivo
5.1 Compresores de aletas
5.2 Compresores de tornillo
5.3 Compresor de espiral (Scroll)
6. Campo de aplicación de los compresores
Capítulo 6
Producción de vacío
1. Introducción
2. Eyectores
2.1 Estudio teórico
3. Eductores o bombas de chorro
4. Bombas rotativas
Capítulo 7
Equipos productores de energía mecánica
1. Introducción
2. Turbina de vapor
2.1 Ciclo Rankine
2.2 Turbina de condensación
2.3 Turbinas de vapor de contrapresión
2.4 Turbina de vapor de condensación con extracción
3. Turbina de gas
3.1 Turbina de gas sin regeneración
3.2 Turbina de gas con regeneración
3.3 Características de las turbinas de gas
3.4 Comportamiento de las turbinas de gas
4. Motores alternativos de combustión interna
4.1 Ciclo Otto teórico
4.2 Ciclo Diesel teórico
4.3 Ciclos reales
4.4 Tipos de motores
4.4.1 Motor de cuatro tiempos
4.4.2 Motor de dos tiempos
4.4.3 Motores de dos y más válvulas
4.4.4 Motores atmosféricos y turboalimentados
4.5 Características de los motores de combustión
5. Motores eléctricos
5.1 Motor de corriente continua
5.2 Motores de corriente alterna (AC)
Capítulo 8
Aislamiento térmico
1. Introducción
2. Aislamiento de tuberías
2.1 Cálculo del calor disipado a través de la pared
2.2 Cálculo del ahorro energético y económico.
Espesor crítico y espesor óptimo
2.2.1 Ahorro energético
2.2.2 Ahorro económico bruto
2.2.3 Espesor mínimo teórico
2.2.4 Espesor óptimo
2.4 Aislamiento de tuberías calientes. Espesor mínimo
2.5 Aislamiento de tubería frías
2.5.1 Espesor mínimo
2.5.2 Condensación superficial
2.5.3 Cálculo del espesor de aislante
para evitar la condensación superficial
2.6 Prevención de heladas
2.6.1 Agua fluyente
2.6.2 Agua estancada
3. Aislamiento de depósitos
3.1 Espesor mínimo de aislante
3.2 Variación de la temperatura con el tiempo
3.2.1 Depósito sin circulación de fluido
3.2.1 Depósito con circulación de fluido y aporte de calor
3.3 Prevención de heladas
4. Aislamiento de hornos
4.1 Elección de los materiales y predimensionado de la pared
4.2 Cálculo del calor disipado a través de la pared
en régimen estacionario
Referencias
Capítulo 9
Generación de calor
1. Introducción
2. Calderas
2.1 Tipos y estructura básica
2.2 Rendimiento
2.2.1 Revisión de las pérdidas en los humos y rendimiento
2.2.2 Tipos de rendimiento
2.3 Esquema general y distribución de temperaturas
2.4 Economizador
2.5 Calderas de recuperación
2.6 Calderas de condensación
2.7 Principios de seguridad
2.8 Características específicas de una caldera
3. Quemadores
3.1 Elementos auxiliares del quemador
3.2 Quemadores de alto rendimiento
3.2.1 Quemadores regenerativos
3.2.2 Quemadores de tubos sumergidos
y de combustión sumergida
4. Equipos auxiliares
4.1 Desaireador
4.2 Purga y agua de alimentación de caldera
4.2.1 Formación de incrustaciones
4.2.2 Cálculo de los caudales de purga y reposición
4.3 Evacuación de humos. Chimenea
4.3.1 Requisitos mínimos de la chimenea
4.3.2 Cálculo del caudal de gases de combustión
4.3.2 Cálculo del tiro
4.3.4 Cálculo de la temperatura de gases
y prevención de condensados
4.4 Vaso de expansión
4.4.1 Cálculo de la dilatación del agua
4.4.2 Calculo del tamaño del vaso cerrado
5. Almacenamiento y alimentación
de combustible (gasóleo y fuelóleo)
6. Calefacción eléctrica
Capítulo 10
Generación de frío
1. Introducción
2. Conocimientos básicos
2.1 Comportamiento de la eficiencia
2.2 Conceptos de eficiencia
2.2.1 Eficiencia instantánea
2.2.2 Eficiencia nominal
2.2.3 Eficiencia a carga parcial
2.2.4 Eficiencia estacional
3. Producción de frío por compresión-expansión con cambio de estado
3.1 Ciclo simple
3.1.1 Elección de las presiones de trabajo
3.2 Ciclo de compresión por etapas y cámara de flash
3.3 Asociación de ciclos en cascada
4. Ciclo Brayton
4.1 Ciclo Brayton cerrado simple sin regeneración
4.2 Ciclo Brayton cerrado con regeneración
4.3 Ciclo Brayton abierto
5. Ciclo Linde abierto para licuación de gases
6. Refrigeración con cámara de vacío
7. Refrigeración por humidificación adiabática del aire
8. Refrigeración por absorción
8.1 Ciclo de absorción simple con LiBr-H2O
8.1.1 Localización de las temperaturas de trabajo
8.1.2 Cálculo de los caudales y de las potencias térmicas
8.2 Ciclo de absorción de doble efecto con LiBr-H2O
8.3 Ciclo de absorción con NH3 - H2O
8.3.1 Determinación de las condiciones de funcionamiento
8.3.2 Ecuaciones que gobiernan el ciclo
9. Torres de refrigeración
9.1 Cálculo del consumo de agua
10. Bomba de calor
Capítulo 11
Red de distribución de calor o frío
1. Recipientes a presión: espesor de la pared
1.1 Esfuerzo tangencial
1.2 Esfuerzo longitudinal
2. Esfuerzos mecánicos sobre una tubería
2.1 Empuje estático debido a la presión
2.2 Empuje dinámico debido a la velocidad de circulación
3. Dilatación de tuberías
3.1 Cálculo del juego de dilatación
3.2 Pretensado de tuberías
3.3 Elasticidad de un sistema de tuberías
3.3.1 Flexibilidad inherente de un sistema
3.3.2 Máxima dilatación admisible
4. Elementos destinados a la absorción de dilataciones
4.1 Bucles de dilatación
4.2 Compensadores
4.3 Instalación de compensadores
5. Anclajes y guías
5.1 Cargas sobre anclajes
5.2 Espaciado entre guías
6. Puntos de suspensión
Capítulo 12
Tecnologías generales de ahorro energético
1. Introducción
2. Valorización de vapores
2.1 Aprovechamiento de revaporizados
2.2 Compresión de vapor
2.2.1 Concentración convencional con vapor de procesos
2.2.2 Concentración con compresión de vapor
3. Calderas y quemadores de alto rendimiento
3.1 Calderas de condensación
3.2 Quemadores regenerativos
3.3 Placas de radiación infrarroja
3.4 Tubos radiantes a baja temperatura
4. Valorización de residuos
4.1 Valorización interna
4.1.1 Digestión anaeróbica de materia orgánica
4.1.2 Combustión de residuos
4.2 Valorización externa
4.2.1 Digestión anaeróbica de materia orgánica
4.2.2 Combustibles de biomasa
5. Bomba de calor
5.1 Clasificación
5.2 Base teórica
5.3 Ahorro energético
5.4 Recuperación de calor
6. Intercambiadores de calor
6.1 Intercambiador de calor sin cambio de estado
6.2 Ahorro neto
7. Cogeneración de calor y electricidad
7.1 Interés energético de la cogeneración
7.2 Interés económico de la cogeneración
7.3 Sistemas de cogeneración
7.4 Equipos de cogeneración
7.4.1 Motor de combustión (MC)
7.4.2 Turbina de gas (TG)
7.4.3 Turbina de vapor (TV)
7.4.4 Ciclo combinado (CC)
7.5 Características de la demanda
7.5.1 Potencia de la demanda
7.5.2 Nivel térmico de la demanda de calor
7.5.3 Fluido térmico
7.5.4 Relación calor / electricidad
7.5.5 Curva de demanda
7.6 Estudio de viabilidad energética y económica
7.6.1 Determinación de la potencia instalada
7.6.2 Estimación de los balances de energía
mediante la simulación de contadores
7.6.3 Estimación del balance económico
mediante la simulación de contadores
7.6.4 Cálculo del ahorro energético y económico
7.6.5 Condiciones de eficiencia del cogenerador
7.6.6 Viabilidad
8 Trigeneración de calor, frío y electricidad
9 Células de combustión
9.1 Eficiencia y rendimiento energético
9.2 Adaptación a la cogeneración de calor y electricidad
9.3. Células comerciales de alta temperatura
9.3.1 Células de ácido fosfórico. (PAFC)
9.3.2 Células de carbonato fundido. (MCFC)
10. Aislamiento térmico
11. Equipos de bombeo
12. Aire comprimido
Capítulo 13
Energías renovables
1. Introducción
2. Energía solar
2.1 Introducción
2.2 El Sol y la Tierra
2.2.1 Constante solar
2.2.2 Movimiento de la Tierra alrededor del Sol
2.2.3 Estaciones meteorológicas y horas de sol
2.3 Posición relativa del Sol
2.3.1 Coordenadas angulares
2.3.2 Tiempo solar verdadero (TSV)
2.4 La radiación solar debajo de la atmósfera
2.5 Sistema fototérmico
2.5.1 Colectores solares
2.5.2 Rendimiento y curva característica de un colector
2.5.3 Determinación de la superficie de captación
2.6 Sistema fotovoltaico
2.6.1 Esquemas básicos de instalaciones fotovoltaicas
2.6.2 Características
3. Energía eólica
3.1 Introducción
3.2 Principios básicos
3.2.1 Fuerzas que actúan sobre un rotor horizontal
3.2.2 Potencia de un generador
3.2.3 Rendimiento del rotor
3.3 Componentes de un aerogenerador
3.3.1 El captador de energía
3.3.2 Transmisión mecánica
3.3.3 Convertidor
3.3.4 Sistema de regulación
3.3.5 Estructura soporte
3.4 Características del viento
3.4.1 Distribución de la velocidad
3.4.2 Variación de la velocidad con la altura
3.5 Estimación de la energía anual generada
4. Energía hidroeléctrica
4.1 Introducción
4.2 Características de la energía hidroeléctrica
4.3 Tipos de minicentrales hidroeléctricas
4.4 Diseño de una central hidroeléctrica
4.4.1 Determinación del caudal de equipamiento
4.4.2 Potencia y producción de energía
4.5 Turbinas hidráulicas
4.5.1 Turbinas de acción
4.5.2 Turbinas de reacción
4.5.3 Rangos de utilización y rendimientos
de las distintas turbinas
4.6 Central hidroeléctrica
5. Energía geotérmica
5.1 Introducción
5.2 Nociones básicas
5.2.1 La litosfera y teoría de placas
5.2.2 Origen de la energía geotérmica
5.2.3 Temperatura del subsuelo
5.3 Recursos geotérmicos y yacimientos geotérmicos
5.3.1 Clasificación de los yacimientos
5.3.2 Descripción del comportamiento de un pozo
5.3.3 Potencia térmica máxima extraíble
5.4 Equipo de extracción
5.5 Central térmica de un yacimiento de agua caliente
5.6 Bomba de calor geotérmica
5.6.1 Instalación
6. Biomasa
6.1 Introducción
6.2 Datos generales
6.3 Calor directo por combustión
6.4 Gasificación de la biomasa
6.5 Biogás
6.6 Biocarburantes
6.6.1 Biodiésel
6.6.2 Bioetanol
Capítulo 14
Gestión de la energía en la industria química
1. Introducción
2. Coste unitario de un producto
2.1 Balance alrededor de un sistema y balance de valor
2.1.1 Balance de materia
2.1.2 Balance de energía
2.1.3 Balance de valor
2.2 Criterios de valor
2.2.1 Criterio basado el 1er Principio de la Termodinámica
2.2.2 Criterio basado en que toda energía
no utilizada tiene valor nulo
2.2.3 Criterio basado en el 2º Principio de la Termodinámica
2.2.4 Criterio basado en la energía consumida
2.2.5 Criterio de base económica
2.2.6 Criterios de base social y ecológica
2.3 Contenido energético de un producto
2.3.1 Contenido energético de un producto
con cadena de producción lineal
2.3.2 Valor energético de un producto de producción
ramificada hacia abajo
2.4.3 Contenido energético de un producto
ramificado hacia arriba
2.3.4 Contenido energético de un producto
con ramificación interna
2.3.5 Contenido energético de un producto energético
2.4 Coste integral unitario
3. Óptimo energético de una operación o proceso
3.1 Modelización
3.1.1 Funciones de una variable
3.1.2 Funciones de más de una variable
3.2 Método de optimización
3.3 Temperatura óptima de bombeo de un fluido viscoso
3.4 Humedad óptima
3.5 Diámetro de una tubería
3.6 Regeneración de un filtro [1]
4. Auditoría energética
Bibliografía