Indíce

1. Introducción

2. Marco Teoríco.

2.1 Ciclo de Rankine Ideal

2.2 Ciclo de Rankine con Recalentamiento

3. Bombas

3.1 Bombas Centrífugas

3.2 Bombas Rotatorias

3.3 Bombas Reciprocantes

4. Principales fabricantes de bombas en Colombia y el

Exterior

5. Bibliografía

1. Introducción

La termodinámica es aquella rama de la física que

describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico,

a partir de razonamientos deductivos estudia sistemas

reales, sin modelizar y siguiendo métodos

experimentales. En otras palabras, la termodinámica se

ocupa de analizar todos los efectos que producen los

cambios de magnitudes como: La temperatura, la presión,

la masa, el volumen, la densidad, todo esto aplicado a

un sistema.

Vale aclarar que la base de la termodinámica gira en

torno a la circulación de la energía y como esta es

capaz de infundir movimiento.

En este trabajo, logramos conocer como por medio del

ciclo rankine ideal el calor logra convertirse en

trabajo con la ayuda de bombas que ayudan a logar una

mayor calidad en lo que se quiere lograr.

En el siguiente documento, está plasmada de forma

detalla las características de dichos ciclos, su

proceso, los aparatos que lo conforman y otra serie de

detalles que podrá descubrir a medida que se vaya

leyendo.

2. Marco Teorico

2.1 Ciclo Rankine Ideal.

 Es un ciclo termodinámico que tiene como objetivo laconversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se

denomina un ciclo de potencia. Como cualquier otro ciclo depotencia, su eficiencia está acotada por la eficienciatermodinámica de un ciclo de Carnot que operase entre losmismos focos térmicos (límite máximo que impone el SegundoPrincipio de la Termodinámica). Genera aproximadamente el90% de toda la energía eléctrica utilizada en todo el mundo,incluyendo prácticamente todas solar térmica, biomasa, carbóny plantas de energía nuclear. Debe su nombre a sudesarrollador, el ingeniero y físico escocés William JohnMacquorn Rankine.

El ciclo Rankine ideal no incluye ninguna irreversibilidad

interna y está compuesto de los siguientes cuatro procesos:

1-2 Comprensión isentrópica en una bomba.

2-3 Adición de calor a presión constante en una caldera.

3-4 Expansión isentrópica en una turbina.

4-1 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.

El agua entra a la bomba en el estado 1 como líquido saturado

y se condensa isentrópicamente hasta la presión de operación

de la caldera. La temperatura del agua aumenta un poco

durante este proceso de comprensión isentrópica debido a una

ligera disminución en el volumen específico del agua. La

distancia verticual entre los estados 1 y 2 en el diagrama T-

s se exagera de manera considerable para mayor claridad.

El agua entra a la caldera como líquido comprimido en el

estado 2 y sale como vapor sobre calentado en el estado 3. La

caldera es básicamente un gran intercambiador de calor donde

el calor que se origina en los gases de combustión, reactores

nucleares y otras fuentes, se transifere al agua

esencialmente a presión constante. La caldera, junto a la

sección (sobrecalentador) donde el vapor se sobrecalienta,

recibe el nombre de generador de vapor.

El vapor sobrecalentado en el estado 3 entra a la turbina

donde se expandeesentrópicamente y produce trabajo al hacer

girar el eje conectado a un generador eléctrico. La presión y

la temperatura del vapor disminuyen durante el proceso hasta

los valores en el estado 4, donde el vapor entra al

condensador. En este estado el vapor es por lo general un

vapor húmedo con un alta calidad. Elpavor se condensa a

presión constante en el condesador, el cual es básicamente un

gran intercambiador de calor, rechazando el calor hacia un

medio de enfriamiento como un lago, un río o la atmósfera. El

vapor sale del condensador como líquido saturado y entra a la

bomba completando el ciclo.

Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permitenmejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamientodel vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entreetapas de turbina o regeneración del agua de alimentación acaldera.

Existen también centrales alimentadas mediante energía solartérmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera essustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos oun sistema de helióstatos y torre. Además este tipo decentrales poseen un sistema de almacenamiento térmico,habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así comode los equipos que lo implementan, serían los mismos que seutilizan en una central térmica de vapor convencional.

El diagrama T-S de un ciclo de Rankine con vapor de alta

presión sobrecalentado.

El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado porcuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isobáricos. La bombay la turbina son los equipos que operan según procesosisoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). Lacaldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y portanto sin caídas de presión. Los estados principales delciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en eldiagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica detítulo elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4:líquido subenfriado).

Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajoen la turbina desde la presión de la caldera hasta lapresión del condensador. Se realiza en una turbina devapor y se genera potencia en el eje de la misma.

Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constantedesde el fluido de trabajo hacia el circuito derefrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanzael estado de líquido saturado. Se realiza en uncondensador (intercambiador de calor), idealmente sinpérdidas de carga.

Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajoen fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un

consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido detrabajo hasta el valor de presión en caldera.

Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido detrabajo a presión constante en la caldera. En un primertramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hastala temperatura de saturación, luego tiene lugar 

2.2 Ciclo de Rankine con recalentamiento

El propósito de un ciclo de recalentamiento es para eliminarla humedad transportada por el vapor de agua a las etapasfinales del proceso de expansión. En esta variación, dosturbinas funcionan en serie. El primero acepta vapor desde lacaldera a alta presión. Después de que el vapor ha pasado através de la primera turbina, se re-entra en la caldera y sevuelve a calentar antes de pasar a través de un segundo, demenor presión, la turbina. Las temperaturas derecalentamiento están muy cerca o igual a las temperaturas deentrada, mientras que la presión óptima de recalentamientoque se necesita es sólo un cuarto de la presión de la calderaoriginal.

Entre otras ventajas, esto evita que el vapor se condensedurante su expansión y con ello dañar los álabes de laturbina, y mejora la eficiencia del ciclo, dado que más delflujo de calor en el ciclo ocurre a temperatura más alta. Elciclo de recalentamiento se introdujo por primera vez en ladécada de 1920, pero no estaba en funcionamiento durantemucho tiempo debido a dificultades técnicas.

En la década de 1940, se volvió a introducir a la crecientefabricación de calderas de alta presión, y finalmente doblerecalentamiento se introdujo en la década de 1950. La ideadetrás de doble recalentamiento es aumentar la temperatura

media. Se observó que más de dos etapas de recalentamientoson innecesarios, puesto que la siguiente etapa aumenta laeficiencia del ciclo de sólo la mitad que la etapa anterior.Hoy en día, doble recalentamiento se utiliza comúnmente enlas plantas de energía que operan a presión supercrítica.

Para efectuar el recalentamiento se modifica el sistemade la siguiente manera:

Este ciclo difiere del ciclo rankine ideal en que el procesode expansión en la turbina, se realiza en dos etapas medianteuna turbina de alta presión (tap) y otra de baja presión(tbp).

El recalentamiento produce una variación en la entradatotal de calor y la salida neta de trabajo

 

Dentro de los diferentes procesos químicos e industrialesexiste la necesidad de transportar fluidos (líquidos y gases)de un lugar a otro utilizando para ello ductos o canales.Este movimiento se logra por medio de una transferencia deenergía. Para ellos se utilizan equipos denominados "bombas".

3.Bombas

Son dispositivos que se encargan de transferir energía a lacorriente del fluido impulsándolo, desde un estado de bajapresión estática a otro de mayor presión. Están compuestaspor un elemento rotatorio denominado impulsor, el cual seencuentra dentro de una carcasa llamada voluta. Inicialmentela energía es transmitida como energía mecánica a través deun eje, para posteriormente convertirse en energíahidráulica. El fluido entra axialmente a través del ojo delimpulsor, pasando por los canales de éste y suministrándoseleenergía cinética mediante los álabes que se encuentran en elimpulsor para posteriormente descargar el fluido en lavoluta, el cual se expande gradualmente, disminuyendo la

energía cinética adquirida para convertirse en presiónestática.

3.1 BOMBAS CENTRÍFUGAS

Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen

un rotor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El

líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las

paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El

rotor también proporciona al líquido una velocidad

relativamente alta que puede transformarse en presión en una

parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor. En

bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en

serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden

contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad

del líquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele

ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta

de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser

cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar

rodeado de líquido cuando se arranca la bomba. Esto puede

lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de

succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor

no gira. Si esta válvula pierde, puede ser necesario cebar la

bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el

depósito de salida. Por lo general, las bombas centrífugas

tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el

flujo y la presión.

En el caso de flujos bajos y altas presiones, la acción del

rotor es en gran medida radial. En flujos más elevados y

presiones de salida menores, la dirección de flujo en el

interior de la bomba es más paralela al eje del rotor (flujo

axial). En ese caso, el rotor actúa como una hélice. La

transición de un tipo de condiciones a otro es gradual, y

cuando las condiciones son intermedias se habla de flujo

mixto.

Tipos de bombas centrifugas- Volute: El impulsor descarga en una caja espiral que se

expande progresivamente, proporcionada en tal forma que

la velocidad del líquido se reduce en forma gradual. Poreste medio, parte de la energía de velocidad del líquidose convierte en presión estática.

- Diffuser Los álabes direccionales estacionarios rodean al rotor o impulsor en una bomba del tipo de difusor. Esos pasajes con expansión gradual cambian la dirección del flujo del líquido y convierten la energía de velocidad a columna de presión.

- Regenerative-turbine.- También se conocen como bombas de vértice, periféricas y regenerativas; en este tipo seproducen remolinos en el líquido por medio de los álabesa velocidades muy altas dentro del canal anular en el que gira el impulsor. El líquido va recibiendo impulsos de energía. Las bombas del tipo difusor de pozo profundo, se llaman frecuentemente bombas turbinas.

3.1.2 Características de la Bombas Centrifugas

La figura muestra la sección axial de un compresor centrífugode tres escalonamientos de presión, con las denominaciones delos diferentes elementos de que está constituida la máquina.

A. Cubierta inferior

B. Cubierta superior

C. Tapa del cojinete

D. Mitad inferior del cojinete

E. Mitad superior del cojinete

F. Tapa del agujero de engrase

G. Anillo de engrase

H. Anillo de retención de aceite

I. Rodete

J. Tuerca del rodete

K. Árbol

L. Manguito del árbol

M. Tapa del prensaestopas (mitad)

N. Pernos del prensaestopas

O. Aros de cierre de la cubierta

P. Aros de cierre del rodete

Q. Anillo linterna

R. Platos de acoplamiento

S. Collar de empuje

R. Pernos y tuercas del acoplamiento

U. Bujes del acoplamientoV. Extremo de la caja prensaestopas

3.2 Bombas Rotatorias

Las bombas rotatorias que generalmente son unidades dedesplazamiento positivo, consisten de una caja fija quecontiene engranes, aspas, pistones, levas, segmentos,tornillos, etc. la bomba rotatoria descarga un flujo

continuo. Aunque generalmente se les considera como bombaspara líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan aeste servicio sólo. Pueden manejar casi cualquier líquido queesté libre de sólidos abrasivos. Incluso puede existir lapresencia de sólidos duros en el líquido si una chaqueta devapor alrededor de la caja de la bomba los puede mantener encondición fluida.

Las bombas rotatorias se clasifican en:

Bombas de Leva y Pistón: También se llaman bombas deémbolo rotatorio, y consisten de un excéntrico con unbrazo ranurado en la parte superior. La rotación de laflecha hace que el excéntrico atrape el liquido contrala caja. Conforme continúa la rotación el liquido sefuerza de la caja a través de la ranura a la salida dela bomba.

Bombas de Engranes Externos: Éstas constituyen el tiporotatorio más simple. Conforme los dientes de losengranes se separan en el lado el líquido llena elespacio, entre ellos. Éste se conduce en trayectoriacircular hacia afuera y es exprimido al engranarnuevamente los dientes. Los engranes pueden tenerdientes simples, dobles, o de involuta. Algunos diseñostienen agujeros de flujo radiales en el engrane loco,que van de la corona y del fondo de los dientes a laperforación interna. Éstos permiten que el líquido secomunique de un diente al siguiente, evitando laformación de presiones excesivas que pudiesensobrecargar las chumaceras y causar una operaciónruidosa.

Bombas de Engrane Interno.- Estas tienen un rotor condientes cortados internamente y que encajan en un

engrane loco, cortado externamente. Puede usarse unapartición en forma de luna creciente para evitar que ellíquido pase de nuevo al lado de succión de la bomba.

Bombas Lobulares .- Éstas se asemejan a las bombas deltipo de engranes en su forma de acción, tienen dos o másrotores cortados con tres, cuatro, o más lóbulos en cadarotor. Los rotores se Sincronizan para obtener unarotación positiva por medio de engranes externos, Debidoa que el líquido se descarga en un número más reducidode cantidades mayores que en el caso de la bomba deengranes, el flujo del tipo lobular no es tan constantecomo en la bomba del tipo de engranes. Existen tambiéncombinaciones de bombas de engrane y lóbulo.

Bombas de Tornillo. Estas bombas tienen de uno a trestornillos roscados convenientemente que giran en unacaja fija. Existe un gran número de diseños apropiadospara varias aplicaciones. Las bombas de un solo tomillotienen un rotor en forma espiral que giraexcéntricamente en un estator de hélice interna ocubierta. El rotor es de metal y la hélice esgeneralmente de hule duro o blando, dependiendo dellíquido que se maneje. Las bombas de dos y trestornillos tienen uno o dos engranes locos,respectivamente, el flujo se establece entre las roscasde los tornillos, y a lo largo del eje de los mismos.Pueden usarse tornillos con roscas opuestas paraeliminar el empuje axial en la bomba.

Bombas de Aspas.- Tienen una serie de aspas articuladasque se balancean conforme gira el rotor, atrapando allíquido y forzándolo en el tubo de descarga de la bomba.Las bombas de aspas deslizantes usan aspas que se

presionan contra la carcasa por la fuerza centrífugacuando gira el rotor. El líquido atrapado entre las dosaspas se conduce y fuerza hacia la descarga de la bomba.

Bombas de junta universal.- Tienen un pequeño tramo deflecha en el extremo libre del rotor, soportado en unachumacera y80 grados con la horizontal. El extremo opuesto delrotor se encuentra unido al motor. Cuando el rotor gira,cuatro grupos de superficies planas se abren y cierranpara producir una acción de bombeo o cuatro descargaspor revolución.Un excéntrico en una cámara flexible produce la acciónde bombeo exprimiendo al miembro flexible contra laenvoltura de la bomba para forzar el líquido hacia ladescarga.

Bombas de tubo flexible.- Tienen un tubo de hule que seexprime por medio de un anillo de compresión sobre unexcéntrico ajustable. La flecha de la bomba, unida alexcéntrico, lo hace girar. Las bombas de este diseño seconstruyen con uno o dos pasos. Existen otros diseños debombas de tubo flexible. 

3.3 Bombas Reciprocantes

Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamientopositivo descargan una cantidad definida de líquidodurante el movimiento del pistón o émbolo a través de ladistancia de carrera. Sin embargo, no todo el líquidollega necesariamente al tubo de descarga debido aescapes o arreglo de pasos de alivio que puedanevitarlo. Despreciando éstos, el volumendel líquidodesplazado en una carrera del pistón o émbolo es igualal producto del área del pistón por la longitud de lacarrera.Existen básicamente dos tipos de bombas reciprocanteslas de acción directa, movidas por vapor y las bombasde potencia. Pero existen muchas modificaciones de losdiseños básicos, construidas para servicios específicosen diferentes campos. Algunas Se clasifican como bombasrotatorias por los fabricantes, aunque en realidadutilizan movimiento reciprocante de pistones o émbolospara asegurar la acción de bombeo.

Bombas de Acción Directa.- En este tipo, una varillacomún de pistón conecta un pistón de vapor y uno delíquido o émbolo. Las bombas de acción directa seconstituyen de simplex (un pistón de vapor y un pistónde líquido, respectivamente) y duplex (dos pistones devapor y dos de líquido). Los extremos compuestos y detriple expansión, que fueron usados en alguna época nose fabrican ya como unidades normales.

Bombas de Potencia.- Estas tienen un cigüeñal movido poruna fuente externa generalmente  un motor eléctrico,banda o cadena. Frecuentemente se usan engranes entre elmotor y el cigüeñal para reducir la velocidad de salidadel elemento motor. Cuando se mueve a velocidadconstante, las bombas de potencia proporcionan un gasto

casi constante para una amplia variación de columna, ytienen buena eficiencia. El extremo líquido, que puedeser del tipo de pistón o émbolo, desarrollará unapresión elevada cuando se cierra la válvula de descarga.Por esta razón, es práctica común el proporcionar unaválvula de alivio para descarga, con objeto de protegerla bomba y su tubería. Las bombas de acción directa, sedetienen cuando la fuerza total en el pistóndel agua iguala a la del pistón de vapor; las bombas depotencia desarrollan una presión muy elevada antes dedetenerse. La presión de parado es varias veces lapresión de descarga normal de las bombas de potencia.Las bombas de potencia se encuentran particularmentebien adaptadas para servicios de alta presión y tienenalgunos usos en la alimentación de calderas, bombeo enlíneas de tuberías, proceso de petróleos y aplicacionessimilares. 

Bombas del Tipo Potencia de Baja Capacidad.- Estasunidades se conocen también como bombas de capacidadvariable, volumen controlado y de "proporción". Su usoprincipal es para controlar el flujo de pequeñascantidades de líquido para alimentar calderas, equiposde proceso y unidades similares. Como tales ocupan unlugar muy importante en muchas operaciones industrialesen todo tipo de plantas. La capacidad de estas bombaspuede variarse cambiando la longitud de la carrera.Puede usarse un diafragma para bombear el líquido que semaneja, accionado por un émbolo que desplaza aceitedentro de la cámara de la bomba. Cambiando la longitudde la carrera del émbolo se varía el desplazamiento deldiafragma.

Bombas del Tipo de Diafragma. La bomba combinada dediafragma y pistón generalmente se usa sólo paracapacidades pequeñas. Las bombas de diafragma se usanpara gastos elevados de líquidos, ya sea claros oconteniendo sólidos. También son apropiados para pulpasgruesas, drenajes, lodos, soluciones ácidas y alcalinas,así como mezclas de agua con sólidos que puedanocasionar erosión. Un diafragma de material flexible nometálico, puede soportar mejor la acción corrosiva oerosiva que las partes metálicas de algunas bombasreciprocantes.

4. Principales Fabricantes en Colombia y el Exterior.

Bomcol- Bombas de Colombia S.A, Trasegar S.A, Sulzer,Inglotech Colombia, Omel, Bombas Industriales, Armek,Gemmecotti…

5. BIBLIOGRAFÍA

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