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LA PRODUCCI~ND E ENERG~A MEDIANTE EL VAPOR DE AGUA, EL AIRE Y LOS GASES W. H. SEVERNS, M.S. H. E. DEGLER, M.E., M.S. J. C. MILES, M.E., M.S. Profesor de Ingeniería Mecánica Director Técnico, Marley Com- Profesor de Ingenieria MeCániea Universidad de Illinois pany. Kansas City, Hissouri Universidad de Illinoi~ LA PRODUCCIÓND E ENERG~A MEDIANTE EL VAPOR DE AGUA, EL AIRE Y LOS GASES OBRA EXTENSAMENTE REVISADA, PARA USO EN LOS CURSOS BASICOS DE TERMOTECNIA TE~RICAY PRACTICA Editorial Reverté, S. A. - - - - Barcelona Bogotá Buenos Aires Caracas México Versi6n españole de la 6.6 edición de la obru STEAM, AIR, AND GAS POWER Editada por Jom WILEY & SONS, INC., New York Traducida por Jos6 Batlle Gayhn, Ingeniero Industrial Propiedad de EDITORIAL REVERTÉ, S. A. Encarnación, 86. Barcelona (24) Reservados todos los derechos. Ninguna parte del material cubierto por este título de propiedad literaria puede ser reproducida. almacenada en un sistema de informática o transmitida de cualquier forma o por cualquier medio electrónico, mecánico, fotocopia, grabación u otros métodos sin el previo y expreso permiso por escrito del editor. Edición en español: O EDITORIAL REVERTÉ, S. A., 1982 Impreso en España Printed in Spain ISBN: 84-291 -4890-6 Depósito Legal: B. 36093-1981 Márquez. S. A. Ignacio Iglesias, 26 - Badalona INDICE GENERAL Capitulas . .............................. 1 Definiciones fundamentales . ...................................... 11 Centrales tdrmicas . ............................ 111 Principios de Termodinhmica . ......................... IV Vapor de agua y su calorimetria . .............................. V Combustibles y combustión . ......................... VI Generadores y calderas de vapor . .............. VI1 . Equipos auxiliares de las calderas de vapor . VI11 Calentamiento y acondicionamiento del agua de alimentación . . ............ IX Producción del tiro Chimeneas y ventiladores X . Máquinas de vapor, de dtnbolo .......................... . ...................................... XI Turbinas de vapor . ................. XII Condensadores de vapor y sus accesorios . ................................................ XIII Bombas XIV . Compresión del aire y de los gases ....................... xv . Turbi~iasd e gas ......................................... . ........................... XVI Motores de combustión interna . .................................. XYII ,Refrigeración mecánica XVIII . Apdndice. Tablas adicionales ............................. .......................................... f ndice alf abdtico PREFACIO DE LA EDICLÓN NORTEAMERICANA Esta quinta edición de La producción de energia mediante el vapor de agua, el aire o los gases ha sido el fruto de una extensa revisión y proporciona un libro de texto apropiado para cursos básicos de teoría, práctica y maquinaria para la producción de energía por medio del calor. Al emprender esta tarea se procuró exponer las ideas y conceptos en forma concisa, pero al mismo tiempo de lectura fácil. La mayoría de los capítulos se han refundido y com- plernent,ado con muchos nuevos diagramas, figuras, ejemplos y problemas; algunos de Qstos van acompañados de las soluciones. De significado especial son los nuevos capítulos que tratan de las turbinas de gas y de la refrigeración mecánica. Los dos primeros capítulos son de introdiicción, y han sido ampliados para explicar la terminología propia de la energía termica y la disposición de las instalaciones modernas. El capítulo de Termodinámica tambi6n ha sido ampliado, y en los capítulos siibsiguientes se ha aplicado la ecuación general de la energía a los procesos de flujo constante. Los combustibles líquidos y gaseosos son estudiados con más detalle que en las ediciones an- teriores. La materiareferente a las máquinas de vapor se ha reducido a un ca- pítulo, habiendose modernizado la referente a los generadores de vapor, turbinas y condensadores de este fluido y la correspondiente a las bombas. Los compresores centrífugos y axiales han sido incluidos en el capítulo referente a la compresión del aire y de los gases. Finalmente, los motores de combustión interna se estudian aquí atendiendo más a la teoría y funciona- miento que a la parte descriptiva. Queremos expresar nuestro agradecimiento a todos aquellos que con sus comentarios y críticas proporcionaron un excelente apoyo para esta revisión, a las firmas que facilitaron datos e ilustraciones, y a E. De LUKE, Profesor de Tecnología Mecánica de la Universidad de IUinois, por su valiosa aynda. w. H. s. H. E. D. J. C. M. Urbana, Illinois Kansas City, Missouri Marzo, 1954 DEFINICIONES FUNDAlYIENTALES 1. Introducción. El empleo de la energía en la vida moderna se halla tan extendido, que todos los estudiantes de ingeniería, independientemente de su fin principal, deben poseer un conocimiento básico de aqiiélia. En toda discusión es necesario definir los términos utilizados antes de emprenderla, y en este capítulo se revisan aquellos conceptos que se hallan relacionados con el tema de la energía térmica. 2. Masa, fuerza Y peso. En la Oficina Francesa de Patrones se guarda, por acuerdo internacional, una barra de platino iridiado, designada como kilogramo masa (kg,). Esta masa, situada en un campo gravitatorio patrón, «pesa*1 kg si se la suspende de nn dinamómetro. La libra masa patrón (lb,) se define como 0,4535924 del kilogramo masa.(') La masa se define como aquello que posee inercia, es decir, aqiieilo que se opone a ser acelerado. Fuerza es todo esfuerzo que hay que hacer para ((estirar))o ((empujar)), implicando encontrar una resistencia al movimiento. La unidad es el kilogramo fuerza (kg,), que es aquella fuerza que imprime a 1 kg, una acelera- ción de 9,81 metros por segundo por segundo. La palabe kilogramo puede ser, por consiguiente, una unidad de masa o una unidad de fuerza, y no queda definida si no se especifica si es un kilogramo masa (kg,) o un kilogramo fuerza (kg,). Estos subíndices se utilizan únicamente cuando hay que evitar una ambigüedad. En los sistemas técnicos de unidades (kilogramo-masa, kilogramo-fuerza, metro, segundo) se necesita un factor de conversión para obtener unidades y dimensiones consistentes. Este factor de colzversiól~( g,) puede deducirse de la Ley de Newton y su valor es Tal como se usa convencionalmente, peso es sinónimo de masa. Sin em- bargo, hablando con propiedad, peso es la fuerza (kg,) debida a la atracción gravitatoria experimentada por una masa. (kg,). El peso es un concepto in- E1 slug es una unidad de masa que vale 32,17 libras masa. (2) 4 L A PRODUCCION DE E N E R G Í A determinado, ya que depende del valor de la atracción gravitatoria, la cual varia de un lugar a otro. 3. Energía. La capacidad para producir un efecto se denomina energía. Los efectos, incluso los pequeñísimos, como, por ejemplo, un ruido tenue, el movimiento de una partícula ligera, la producci6n de una onda, requieren energía. La energía aparece en diversas formas y puede transformarse de una en otra. Una gran parte del tema de la energía termica trata de la trans- formación de la energía. Las unidades de energía corrientemente utilizadas en ingeniería son la kilocaloria internacional y la British thermaZ unit (Btu). La kilocaloría se define como 1/860 del kilovatio-hora internacionales. Es asimismo 1/100 de la cantidad de energía requerida para elevar 1%t emperatura de 1 kg de agua desde O OC a 100 La Btu se define como 11180 de la cantidad de energía OC. necesaria para elevar la temperatura de 1l ibra de agua desde 32 OF a 212 OF. Por razones de standardización se estableció en 1929, por convenio internacional, la relación siguiente: Btu ' kcal inter. (2) lb. grad. F = kg grad. C Otra unidad de energía es el kilográmetro (kgm), que es el trabajo efec- tuado cuando 1k g, actúa a lo largo de una longitud de 1 m. La relación que iiga la kilocaloría y el kilogrhmetro es: 1 kilocaloría = 427 kgm(l) Esta constante se denomina equivalente mecánico del calor o constante de Joule y se designa con el símbolo J. Energfa cinktica (EG)e s la energía poseída por una masa debido a su velocidad. Toda masa en movimiento es capaz de producir un efecto, por consiguiente posee energía. mVa EC=- kgm 2 gc en donde m = maqa, kg, V = velocidad, m/seg g, = factor conversi6n de unidades Energia potencial (EP ) es la energía poseída por una masa cuando se halla sometida a la acci6n de un campo gravitatorio. Por ejemplo, una masa de 1 kg situada a una altura de 100 m en un campo gravitatorio patrón posee una energía pot,~nciadl e 1 kgf x 100 m = 100 kgm En los países de habla inglesa se utiliza tambidn como unidad de energía la libra fuerza- (1) $te. Esta unidad y la Btu vienen ligadas por la igualdad 1 Btu = 778,26 libras-pie DEFINICIONES FUNDAMENTALES. 6 Como quiera que el campo gravitario es el primero que se encuentra al trat.ar de la energía tdrmica, es costumbre considerar la energía potencial como el producto de la ma,sa en kilogramos por la altura sobre un nivel de referencia. EP = m x 2, kgm (4) en donde m = masa que origina la fuerza (kgt) Z = altura, m Energia interna (U) es la energía poseída por una masa debido a su actividad molecular. La energía se almacena en forma de energías cindtica y potencial de las mol6culas. En caso de un gas perfecto la energía interna es únicamente función de la temperatura (Ley de Joule). En los gases reales, líquidos y sólidos la energía interna es proporcional a la temperatura; cuanto más elevada es la temperatura, más grande es la actividad molecular y más grande es a su vez la energía interna. La temperatura del cero absoluto se define a veces como aquel estado en el cual la actividad molecular, y como consecuencia la energía interna, es cero. La energía .interna se expresa en kilocgorías por unidad de masa. 4. Mol6culrr kilogramo. Una molécula kilogramo vale M kilogramos cuando M es el peso molecular. Resulta una unidad: muy apropiada de peso y volumen cuando se trabaja con gases. En química se utiliza la moZécula gramo o m01 (sistema cgs), que es el peso molecular expresado en gramos. En las condiciones normales de temperatura y presión (O y 760 mm), el OC volumen de la molécula gramo de cualquier gas perfecto vale 22,4 @ros. El volumen molecular en ingeniería es más grande en la proporción del kilogramo al gramo, y p&rau na temperatura de 15,5 y 1,033 kg/cm2 una mo- OC ldcub lrilogramo de cualquier gas ocupa 23 712 litros. La ley de Avogadro, párrafo 34, explica que todos los gases deberían ocupar el mismo volumen a una temperatura y presión determinadas. 5. Calor. La energía que fluye en virtud de una diferencia de temperatura se denomina caFm. Cuando dos cuerpos, uno ca1ient)e y otro frío, se co- locan próximos entre sí, sin ninguna barrera aislante entre ellos, el calor fluye bacia el cuerpo frío a causa de la aiferencia de temperatura. La energía calo- rífica solamente existe cuando se halla en movimiento o fluye, puesto que es energía interna antes de abandonar el primer cuerpo y es energía interna al entrar en el segundo cuerpo. La actividad molecular del primer cuerpo decrece, y en cambio aumenta la del segundo. 6. Temperatura Y su medición. La temperatura es un índice de la energía, interna relativa de la masa. En un gas perfecto la temperatura es un ver- dadero índice de su actividad molecular. Un gas perfecto que no tuviese ener- gía interna alguna se hallaría a la temperatura más baja que puede concebirse (- 273,2 OC), es decir, a la del cero absoluto. La temperatura es el potencial térmico causante del flujo calorífico. 6 L A PRODUCCION DE ENERGfA En ingeniería se utilizan las escalas centígrada y Fahrenheit. En dichas escalas la temperatura de ebullición del agua pura es 100 OC y 212 respec- OF, tivamente, cuando la presión atmosfdrica es la normal (1,033 kg/cm2),y la de congelación a la misma presión es O OC y 32 respectivamente. En la OF, figura 1s e representa la relación existente entre ambas escalas, y en ella puede observarse que el intervalo existente entre el punto de ebullición y de con- gelación del agua pura vale 100 grados en la escala centígrada (C) y 180 grados en la escala Fahrenheit (F). Por lo tanto, se podrá escribir en donde tí = temperatura, grados F t, = temperatura, grados C - El cero absoluto se halla a 273,2 OC y - 459,í' O F (prácticamente -273 OC y -460 OF). De esta forma la temperatura absoluta Fahren- heit abs.) será: (05' + oF abs = oF 460 = R, denominado C ma bs -45~71 O -273,21 O grados Rankine (oR) (7) m (- 460) p la temperatura centígrada absoluta (OC abs.) FIG. 1. Escalas termométricas será: OC abs. = OC + 273 = K, denominado grados Kelvin (OK) (8) La mayoría de las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas se dilatan al aumentar su temperatura. Si esta dilatación es relativamente uniforme entre amplios límites de temperatura, la sustancia puede utilizarse como medio termomdtrico en el supuesto que sean adecuadas otras propiedades. El mer- curio es la más corriente de estas sustancias, porque posee un coeficiente de dilatación muy elevado, y como consecuencia pueden leerse directamente pequeñas variaciones de temperatura, sin necesidad de recurrir a una ampli- f ic ación. En 1821, SEEBECKf,í sico alemán, observó que si dos alambres de me- tarles distintos determinados se unían formando un bucle, se producía una corriente eldctrica en el circuito, con la consiguiente fuerza electromotriz (f. e. m.), cuando las uniones se hallaban a diferente temperatura. Este fe- nómeno se conoce como efecto Seebeck, y las pilas termoeltktricas, o termo- pares, se fundan en este principio. LORDT HOMPSOdNe scubrió que la f. e.m.