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Fluidos- V. G. Erojin, M. G. Majanko- Problemas de Fundamentos de Hidraulica Termotecnia- Mir

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V G. EROJIN. M. G. MAJANKOProblemasde fundamentosde hidrulicaytermotecniaEDITORIALMIRProblemDs de fundamentos de hidrulica ytermotecniao. r. EPOXHH, Al. r. MAXAHI:J\OCBQPHHX3AAA'ti noOCHOBAMrH,D,PABJU1Hll Ji TEnJIOTEXHJlKJfV. G.EROJIN, M.G.MAJANKOProblemasde fundamentosde hidrulicaytermotecniaEDITORIALMJRMOSCOTraducidodel ruso por Yu. MurJnImpresoeula URSSHa i1COUCIIO" II_JteCl R 8 ~ n e ....eTBO.allepnllu, tg7g(Qtraduccl6a.1espallol, "'Itorial Mir, 1986IndicePREFACIOCAPTTULO 1. FUNDAMENTOS DE HiDRULICA Y BOMBASt-1. Propiedades fundamentales de lOll fluidost-2 Hidrosttita1-3. Hidrodiomlcat-4. BombasCAPITULO 2. FUNDAMENTOS DE TERMODINMICATtCNICA .....2-t. Estado del fluidooperante . .22. de perfectas .2-3. Capllc.ldad calorlflea .Primer principiodalatermodinlDica2-5. Pro.de calor . .FUNDAMENTOS DE TRANSMIS10N DE CAPITULO 3.CALORCAPITULO4. COMPRESORES Y4-1. Compre$Orea4-2. V,-"ntilBoorca ...VENTILADOll.ES'24.241211134137."'"'"157CAPITULO S. EL COM8USTIBLE yS-t. Comp03icl6ndel combu.lible .5-2. Proeuode rombUf1l6n . .HOfrIIrelI _ LA COMBUSTION 100lOO167'"CAPITULO 6. INSTALACIONES DE CALDERAS6-1. Balenc.:etEttI\ioo, rendimientodeUDequipo d. ulderllycon&umodeoombU4tible .... _ . _ . _ ..CAPITULO7. INSTALACIONES QUE APROVECHAN ELCALOn ......7-1. Int6l'Cllmbl.dotell de calor7-2. Ev"poradore. . . . . .7-3.d. "26'""21t.273'"'"27'""30130'""307...32>PrefacioEl pro:l8nte compendio de problemasfundamentosde hidr:1ulica y termotecnia sedesUna a profundh;arel eB-tudio de los CUnlOiI wHidrulica" y "Termotecnia". ComomaDllal, dichocompendiopuedegerLtil taotoenel proeeaoorganiudodeestudios, comoduranta la preparaeinaut-didacla del persoDal ing9nleril tcnico. En el primer captuloseexponenlasrelacionesfundamentales yll8resuelvenpro-blema! de carcter prActico sobmhldrost.tiea, hidrodioi-mie. ybombas. Enelsegundoy01 tercer capitumfiguranproblemas de termodinmica y de transferencia do calor.Enel cuarto, setralasobreinstalacionudecompresoresyventiladores. El quinto captulo recoge material sobre elcombuatible ylosprocesosdecombustin. Sedeterminalacomposicl6n del combustible. su poder ulorUico yse dael clientedecDnversin del coosumodecombustiblenatu-tal en combustible convencional. Seproblemaaparadeterminar lacomposicinde108productos de combus.-tin y lacantidad doa!rGnecesaria para quemar combU5-tibIe Illido, lquido y gaseoso.Enel Ilextoell.pituloIle aducenproblemassobrelacoro-pOIlicindel balance trmicode una ill!ltalaoinde caldef!ly sedeterminan el consumo de combustibley el rondimicmto.Enel sptimocapituloseofreceel dlculodointercambia-dores do calor, evaporadores. ingtalaciones de destilaci.6nfracci.onada yMcadores, !El determina el consumodehustible y el rendimiento de hornos industriales. En elsptimoyeloctavo captulos se npone el material que per-mitedeterminar losgastos decalor para. lAealef.accioo. 1.ventilac.i6n, el abastecimientode aguacaliente y el .con-dlcionamiento de aire. Se resuelven problemas pr6etlcosutilizando datos normativo!. Se efecta el clculo de la7redderamificada. Enel novenoyel dcimoca-pitulos se proponen problemas sobre cmo determinar lapotencia y el rendimiento de los motores de combuslininterna, el consumo de combustible y la composicin delbalance trmico. Se ofrecen problemas dedicados al apro-vechamientodecalorenlasturbina:5devaporyel con:5umode combustible en instalaciones de turbinas de gases.El onceavo captulo contiene material sobre centralestermoeUictricas y problemas encaminarlos a determinar losnrlicosdel rgimen de exploto.ci6nyel rendimientotrmi-co de centrales termoelctricas de diferelltes tipos. Abasedelejemplodeunesquematrmico determinanlosgastosde vapor para una turbina, una instalacin de reduccinyenfriamiento y el gasto total de vapor producidoen lasaladecalderasdeunacentral elctrica. Se explicalamet-dicaempleadaparadeterminar el rendimientode lacentralen cuanto a la produccin de energia trmica y elctrica,asl como losconsumosespecificosdecombustible.Enel capituloduodcimo, el ltimo, seofrecenproble-mas sobre instlllaciones frigorlfcas y bombas de calor.En cada captulo del libro se aducen las definicionestericas fundamentales, las principales frmulas y relaciones de clculo que permiten resolver cualquier problemaoCrecido. Lamayoradelos problemas sonde carcterprc-tico, y las magnitudes que figuran en los planteamientosylasrespuestas tienensigniHcadoreal. Algunos problemastipodecadacaptulovanseguidos de lasolucincompletacon indicaciones metodolgicas detalladas.Al preparar el presente compendio de problemas, losautorasse basaronenla experieociaqueacumularontraba-jando durantemuchosaosenempresas industrialesy centros cientficos y docentes.La presenteobratambi4"npuedesertil paraingenierosy tcnicos que resuelven problemas prcticos.Loscaptulos 1, 5, 6, t1, as comolos 2,3del cap-tulo 7 y los 1, 2, 3, 5 del captulo8 fueron expuestosporV. G. Erojin, mientras que los capltulos2, 3, 4, 9, 10,12, los 1,4,5del captulo7 y el 4 del capitulo8, porM. G. Majank.CAPITULOtFundamentos de la hidrulicay bombas1.i.PropiedadesfundamentalesdelosfluidosDelinlclonesfundamentalesEntre l a ~ propiedades f l ~ i c a l l fundamentales de los fluidosfiguran: lA donsidad, el peso especifico (volumtrico), lacompre9lbllidad y la viSCosidad.Llmue densidad p. en kg/m', la masa de un fluidoh.omogneo contenida IIn la unidadde volumenII -1)donde m es la masa del fluido, kg;V. el volnrnen del mismo, m'.Lljmase pesoespedlieo (volwutrlco) de un fluido 'Y.N/m'. el pese de la unidadde ,'olumen del mencionado fluidoGY=-r, (1-2)dondeG esel pesodel Uuido(Juen.adeatraccindel fluidohacia'la Tierra), N;Vtel volumen del mismo. m',La densidad y el pesoespec!Lcoestn 8.J111tados por larelacinv=plIt (1-3)donde ges la aceleracio de lac8ida libre. m/s' .Ladensidad yel pesoespecificodeunfluido varanenfuncin de la presin y temperatura.Llmase cOlUpreslllbldadla propiedad delos nuidos dee8lnbiar su volumenal variar la presin. Lacompresibili-dadde los fluidos se caraclerit. por el coeficiente de compre-lIio isotrmica volumtrica l. m'/N,AVX'" V ~ p (1-4)(1-8)donde Voos 01 volumen inicial, m';.1. V, la variacin del volumen, mS;.1.p, la variacin de la presin, Pa.La magnitud inversa al coeficiente de compresl6n iso-trmicavolumtricasodenominamdulodeelas.ticidaddelfluidoE. Paraal agua, bajocondicionesnormales, 8epuodeadoptar E=2,O.1(}t Pa.Al calentar liD fluido, el aumentodel volumen de stese ap1'OOia medlantAl el coeficiente de temperatura do dila-tectn cbica "Xl> 1/'OC:AVXI "" V,dt (1-5)llAmasevlscosldadla propiedadde unfluidodeoponerresistencia al movimiento(desplazamiento) relativo de laspartculas de aqul.La viscosidaddel fluidosecaracterizaporel coeficientede Vi5Cosidad cinemtica v, mi/s, y dinmica .l, N s/rnt,queestn enlazados por ]a relacinsiguiente:v=. La dependenciaentreel coeficiente de Vi5Cosidad cine-mticadel agua ylatemperaturasedetennina mediantelaf6rmula siguiente:0,0178v = (1 +0.03371+ O,OOO221tij. tO'. (1-7)La viscosidad de un fluidoexpresadaengradosCODvencionales Engler (villCosidadconvencional, Ve)sedeterminamedia.nte la frmula

'.donde"l"t esel tiempoenque50 derraman200 cm' del fluidosujeto a prueba a travs del orificio calibrado del viscosimetro.a una temperaturaprefijada, s; "l"a. el tiempoen que.salen200I':ms deaguadestiladaalatemperaturade20oC (ndicede agua del viscosimetro), s.La dotorminlJ,cill del coeficiente de viscosidad cinemtica a baso de la viscosidad convencional, dada engradosEngler, 56efecta por medio de la frmula(0,(l631 )'V= 0,0731YC-.......-vc- . to-'oSi la viscosidad convencional essuperior a 16 ove, de-ber aplicarse la frmulav=7,4.1o-a ove.Problemaa1.1. El nivel demar.ut, contenido enuntanque cilindri-covertical de2ro dedimetro. enciertotiempodisminuyen0,5m. Determinar lacantidad da mazut consumidosi.a la temperatura del ambiente igual a 20OC, su densidadp=990 kg/ml_SoZuci6n.Y F'h- nDI Ah 3,t'2O 5 157 '_ u __._u ._, =. m.Respuesta: m=Vp=1,57990=1555,43 kg.1-2. DeterminU' el volumen especifico y el peso espe-cficode underivadode petrleo, sI se CODocesudensidadp=910 kg/m'; la aceleracin de la ca[da libre adpteseg=9,81 mis'.ResplUsta: v=I,I.tO'"I mS/kg y=8,93-10- N/ml1-3. Un tambor de acero ml somete a una prueba hi-drulicabajo le presinexcesivade2,0MPa. Determinarlacantidadde agua que deber agregarsefor una bomba alvolumen inicial del agua cootenidaene tambor. si laca-pacidad geomtrica de ste es igual a 10 mi. Desprciegeladeformacindel tamboryadpleseel coeficienledecom-presin isotrmica volumtrica del agua igual aX=+-1O-'Pa(XRe!puest4: '&V=O,Ol m',1-4. Parareal baruna pruebahidrulicade UDacaerade agua de dimetroa=200mmy longitud 1=1000m, e5necesarioelevarla presi6n de!lde la atmosfricaha5ta2 MPa.Determinar el volumen de agua que deber lIumini5trarseadicionalmentealacaera. Desprciesela daformaclndeesta ltima.Solud6n. Hallaremos el volumen de agua adicional asuministrar alacafter[aaplicandolafrmula (1-4):4Vx=.o.v =X.&pVo'tiAl terminar la prueba hidrulica, en la cafieria habrunacantidaddeaguamayor enlamagnitud = ioo%, 1 kg deaiN:! pudiese evaporar 15 gramos de agua.Respuesto.: t= 62,5 "e.2-155. Determinar el carcter del intercambio de calory de mosaentreel aiN:! yel agua ntemperatura ile 20si los parmetros del aire 5011; t=30 "ey lp=30%.Respuesta.' el agua se evapora entregando calor al 2-156. Semezclandos flujosdeairehmedo cuyasmasllsson m, =0,5kg/s y =0,166kg!s, LosparalDetros del primer flujo son tI =20 C; q>, = 60%}' losdtl!!Wgundo, tt =80 "c y q>t =10%. Determinarlos par-metros del flujo mezclado.Respuesta: t = 35 "C; d= 14g/kg; q> = 40%.CAPITULO3Fundamentos de transmisinde calor3-1. TermoconduclividadOefiniciooe5fundamentalesLacanllrtod dI:! calor que pasaa trav!l de IIna pareollomo-gneaplana enlaunidad do tiempo se expresa conlafrmula(3. t)donde A es t!\ coeficientede termoconduclividad del male-rial de la pared, W/(m K);ti Ylastemperaturasdelal!slIperficit!s la pilrcd,"e;F, el rea de la pared, mi;el grosor de la pared, m.124Para UDa paredde capas mltiplesQ_ t,-t..~ .-81+',+ +'.'" '" .. - -r;,...,P=T(t-t""ll F;(3-2)>., - q- ~ I + ~ + ...+ ~ " ."1.... "Ilonde "eq es el coe!lciento equivalente de la termo-conductividad de la pared tle capas ml-tiples;n, el nmero de capas;61, 61> , 6", los espesorcs de las capas de la pared;"'" A" ,.. , "'", los coefietentes de termoconductividad delas capas individuales.Latemperaturaenla superficiedelascapasdolaparedde capas mltiplesLa densidad lineal del flujo calorfico, \V/m,2.. (I,_t.)1 I di1:" D-;r,-(3-3)donde 1es la longitud de la tuberia, m;di l' ~ son, rospcctivamente, los dimetros intefioryexterior de la tuberIa, m.Paraullaparedcilndricade capasmltiplesladensidadlineal del flnjo calorficog -= t d. t d I dn.,....-10 -, + Io?-+ "'+A:'"iD -,-..... 1 I "n(3-4)125L:l temperaturaenlasuperficiedelascapas dola pal"dcilndrica entonces tendremosAp=J!..L;P.A,= 1-aa, ...donde G..y Gr, respectivamente. son la masa del gas quesoaspira y la corrospondiente a las fugasdurante 109 procesos de compresin y deimpulsin.El trabajo tericode la compresin de 1 kg de gas enel compresor en csso de:11) compresin isotrmical,.=RTIIn11. (4-3)b) compresin adiabtica.-,l'd =k ~ l RT ( ~ - r -1), (4-4)c) comprllllin politrpica. con el exponente poli trpico n,.- ," -lpot=11-1 RT{fI " -1).(45)(4.6)La capacidad del compresor V" en las condiciones f-sicas normales es:v V Po273n= p,,(t.+273donde V eslacapacidaddel compresor para 109parmetroadel medioambiente;Po Ytoo la presin absoluta y la troperatura del medioambient,P", la presin en las condiciones fsicas normales.150Si paTa la preslon de aspiracin PI la capacidad de uncilindro del compresor es VI' mS/s, el trabajotericode lacompresin por segundo o bien la potencia terica se determina mediante las frmulas;.-,N pD1 = "':'1 P I V d ~ n -1).(4-7)(4-8)(4-9)La potencia efectiva real del accionamiento del compresor~ ,Ne=...!!.J.!...= N.d= ~ = Nla= Nad = ~ , (4-10)'1la"l", "Ia.d'1", "IP01'1", "I'.a 'I"d 'l'POIdonde Tln, ll.d' TJpol son, regpecUvamente, losrendimientosindicado!\. isotrmico, adiabtico ypoli trpico del compresor;'1'10' 'l"ad' TJ.POI' respectivamente, dichos rendimientopero efectivos;'1m, el rendimiento mecnico del compresor(TJ ... =0,8 ... 0,95);(4-U)donde NI es la potencia indicadao internadel compresor,kW,(4-12)aqu PI es la presin indicada media, MPa;n, la frecuencia de rotacin del rbol, r. p. m.;V"' el volumen de trabajo, osea, el barrido por elmbolo, 1.Elgradototal deaumento delapresin enun compresormultietpico es;151donde" ., p. sonlos gradosde aument.ode lapre-sinen las etapas individuales.Si =PII =.,., -P., entoncesP=dondCl corrosponde a unasola etapa.EntoDc:etI el nmero de elllpas (Mealones) de un comopresor resulta:('-13)Probkmu41. Un compresor monoetpico de mbolo aspira360m'/hdeaiI1l a la presindeO, t MPIl yla tempc:!rllturatIe 17 oC, comprimindolohuta 0.7 MPa, Determinar lapotencia terica del accionamientodel compresor '.l la10mperatura dt'1 aire al final de la compresin. El e:l"ponentepolitrpico odptese igual a y hgase el dlculo parala compresin isolnniea. adiablillclI y politr6pica.Solucl61l.a) Compresin IsotrmicaEl trabajoparala compl'ilSill 8(1'&:L11- PI VI In p= 0,1360.2,3lag 770MJ/h =70 000 kJ/h.dando13 - PI/PI {'s el grado de aumento de la presin cnel coro presor.La poteneiaterica resultar kW.Durante la compresin isotrmica la temperatura permanecoconstante.b) Compresin adiAbticaLa potencia tel'iea Ivuelafrmula (48)1ser: 0'....... I.l-1V t, 'O,t1 'JUU(7--.-:r 1) 26t klVI d =36Ql).10'(1,4 t) - '""', La temperalura al final de la compresin COlUltiluiri:11-1 I,l_1",,2907!T=506K; ti "'" 233 "C.e) Compresin politrpica152La potencia tericlI lvase la frmula (10-9)1 ser:I Nt,250,t1O300 7l"'E'""" 1)-239kW = 300CHO' (1,25 11( - -. La temperatura al lillal de la compresin resultar;.. -1=428K; t,= 4-2. Uncompresor aspiraa 19 presindeO. t MPa.comprimindolo haste la presin de 0,6 MPa. Determinarla capacidad del compre!lor, si para la compresi6n adiabticll lapotencia terica es de55kW.Respuesta: V= 845 mi/h.4-S. Durante la compresi6n adiabtica de 1 mi de' aireel trabajo terico para la compresi6n es de 234,5 kJ. De-terminar la prllSin final. si \a inicial es de 0.1 MPa.Respuesto.: 0.6 MPa.4-4. Determinar el valor lmite de la presin l)(Isla lacual se puedecomprimir el aire en uncompresor monool-pko de mbolo que posee espacio muerLo yolumetrico,si la presi6nal comicmodelacompresin es de0,1 MPa.El exponentepolitr6picodelaexpansindel airequequedaen el espacio muerLo yolumtrico adptese gual a 1,2.Hga$l'! el clculoparael espaciomuertovolumtricoigualal 3; 5 y10%.Soluci6n. La presin limite de impulsin so obtendrcuando el coeficierlte volumtricoIYase la frmula (-41)1sea nulo:, donde (J ea el coeficiente del espacio muertoyolumtrico;el gradode aumento (eleYacin) de la presinenel coro presor.Por consiguiente,de dondolog illllll= n. log.Si=1,2Y(J=0,03, entonces=68,2; para(J "'"=0,05,=38,5; para (J .... 0,1,"'" 17,8.153Dado quePI =0,1MPa, el valor de la praslOn lhniteenMP. ser numricamente igual 84-5. Determinar el coeficiente volumtricode un com-presor monoetpico de mbolo que funciona con un gradode elevacin de la presi6n igual a 10 y cuyo exponentepoli trpicode la expansinll! igual t .3. Hgaselos dl-culos para el coeficiente del espacio muerto volumlitrieoigual al 5; tO; 15%.'-s", = 0,755; A..0')l, = 0,51 : A.l)"= 0.27.4-6. Siendoel upoll6nLe polil.r6pico ae la compresinigual Il 1,2. t ro' deoxigenosecomprimeconungradodeaumentode l. prelIinaual a5. Determinar lacantidaddecalorque sedisipa, duraot!! lacompresiny01 enfriamientodel Bife comprimido ha!lttl. la tempClratur. inicia!. Losparmetro!! inicialesdel airecorrespondenalestadoIorma!.Soluci6n. Enlascondiciones normlllea, lamasade1 ro'de oxigenoes igual a t,43 kg. Durante la compresin po-Iitrpica la temperatllrA al (inal de la compre."in cons-tituye: 1.2-1T,""'-T1 (::) lO =273.5......-:r=3f>8K; tt-=8SC.El ealordi:5ipadoduranteel procesopoli trpicodecom-presin es:Q=mc. :=:Ij4(358_213>=-=-87,8kJ.El signo menos indica que durante la C'ompresin elcalor del aire :!le disipa.El calor cedido durante el enfriamiento isobrico delaire resultaQ=mCp(T. - TI) - 1.,431,Ot385 123kJ.-4-7. En el proceso do compresin politrpica del aireen uncompresor, cada metrocbiconormal disipa8,95kJde calor. La temr.:;ratura del aire durante la compresinaumenta en 120 C. Determinar el exponente politrpicode la eompre.sin.Relpuesta.: 11- _ I,B.4-8. Uncomprpor m()noetpic() con capacidad de 0.75ml/mineomprime aire desde O,t MPa hasta 0,6 De-154terminarlapotenciaefectivadel a"ionamientodel compre-sor si el rendimiento isotrmico efectivo del compresores 0,6.SOllu:16n. La polencia terica de la compresin i.solr-miCfl de Aire es:N,. =p,V, In p=O, t ,f(}J..2,3.log 6 ... 2.24kW.La potenciadel accionamientodel compresor constituyeN._NukW.'1.1149. Determinar el rendimientomecnicodeuncomp,..sor monOliltpicoconcapscidadde5ml/mln. quecomprimeairedesdeO,0'J8MPa hastll 0,5MPll. La potenciaefectivadel lIccioRamiento del compresor es de 2t,5 kW, siendoigual a 0.73 el rendimiento i90trmico indicado.Respuesta: 0.845.4-tO. Un comprt'sor comprime aire desde 0,097 MPahasta0,8 MP. ala t9mperatut.l del comientodelacompre-l'Iin de 30 oC. Determinar lacapacidad del compresor porminuto si el rendimiento isotrmicoefectivo es 0,65 y lapolenciaefectivadel accionamientodel compresor. 26 kW.RuplJ"ta: 4,96 ml/mm(5.53 kg/min).41t. Determinar el coeficiente de alimentacin de UDcompNsor si el coeficientedel espacio muerto volumtricodel mUlmoesdel 3,5%yel gradodeaumentodelapresinen una etapa, 3,5. Adptense iguales a 0,098MPa y38"Clos paril.metros del comiemo de la compresin. Los par-metrO! del airequeseaspirason: 0,1MPa y 25 oC. El coe-ficiente qua considera 185 fuga! adpl8!a igual a 0.98. Elexponenlepolitrpieo da lae1pansindel airaquequedeenel e!lpaclo muerto volumtrico ea igual a t.1.Solud6n. El coeficieot.a volumlit.rico del ser:, ,Ao= 1-11-1) - t -0.035(3.5r:T -1):.. 0.926.El coeficiente de alimentacin resultarA_""" 0.9260,98 .... 0,852.412. Determinar las prdidas por rozamiento (prdidasmecnicas) que tienen lugar en una etapa de compreain.osde UIl compresor de nire Gon capacidad de S ml/min, quecomprimeairedesde0,098MPa hasta0,.%MPa. Adpumscigual 11 0,72 1'1 rondimiento adi:llnitieo indicado y a 0,88,el mecanico.Utlpuutu.: 2,3 kW.4-t3. ActltJ.!8 delaresiswncia ofrecida por las viilvlllasde8!l:piracinydoimpu11lin, el di'VAOUI real de indicadordoun (';ompresorde mbolotieuemayor rcn encomplltllci6nconel diagramalimitadoporarribaypor abajopor IIIS iso-ban! de prt>sionCll dol gas aspiradoo impulsado. Oclcrmi-Il/lr la prdida de potencia corno conSeC\lcllcia de la resis-tenciaqueoponenla,vlvuh.s, si III relAcinentre laslireu8,en los diagramasde indicador que secomparan, constituye0,85. La polenciaefoctiva del compresor es de 30kWyelrendimiento meclinico, 0,87.RtsplItsla: 3.91 kW.414. UIl compresor bietpico comprimeairetllSUI 0,8MPa segn la indicacil1 tle un manmetro, siendo iglllll a25y a 1,9 oCla wmperatura del aire ... 1 ("omiento de lacompresiull en la primera y lasegundaetapas, rl!l>JK'Ctj\'a-monte. Calculor cmo deber repartirse t'1 gTado lotal Joaumentodela prl':Si6nentre 185 etapas paraquelatempera-tura al final do la compresin en ambas etapas reslllle J.misma ydeterminar el valor de CSll temperatura. La compresi6n considrese polilrpiea COII UII exponente tle 1,25.Respueda; = 3,64; l3u= 2,47. Delermillar la polencia efecth'a de ULl compresorde aire bietapicode tres cilindrO!!. El diametrodo 10ll dOIlcilindros de la primeraetapadecomprE'sines de198mmyel del cilindrode 1... segunda cs de155mm, el rccorridode los muolOll constituye 1/,5mmy la frecuencia dorota-Cl6ndel rbol, 850r. p. m. Lapresinmediaindicada pMAla primera etupa es clo 0,17 MPa y Jlnrll la segUUUIl, 0,31MP.a. El rendimiento mecnico Jel compresor cs 0,77.Sofuci6n. L.a pOlencia indicflda del cilindro dE' la pri-mora etapa de compresi6n sera: 10.77k\V.Lapotenciaindicadadel cilindrodelasegundaetapadeeomprt'5i6n,u O,3lxt,55"t,4S.SSO ,. O. k'Vnnl- 4.60 = "', .l LA ptencil' illlii(,lIdA lobl conslituirliNI = 2Nu +NflI 210.77+12,03...kW.LA potencia efecli\'fl resultaraN 3357N.=-I =ii':T-r=43,6l:W.,. .416. Determinar la prCIJin indicado enluctapMporsepAradode IIncomprasor bietpicododos cilllldrOll, si lO!!dimetr06destossonde 350y2fX) mm, el recorridodelosmbolos. de 200mili )' la rrecuencia de rotacin del rbol,730r.p.m. Consid'rele quoel trabajodo compresin efec-tuado en IIImba8 eLapas ('s idnticoy lA potencia indicadlltotal es igual a 17,5 kW.Rtsputta: PlI =0,1175 MPa; Plll ""' 0,350 MP(I. Un compresor triclpico. de !':llOm'/h (IC' capaci-fiad, comprime nitrgeno desde0,086MPa hasta 5,5 f\H'a.Acuellta de la rc[rigeracill del gas, despu.'l de la primeray la segunda etapas de comprl'sin, la temperaturaal co-miento de la compresin en las tres etapas es la misma.Determinar la disDlunicindela potencia del acciouamiell-lodel compresor, debida al enlriamiento dol1aireen re-frigeradores intermedios, considerandoque 01 grado de au-mento dll la prnionenluetapas esel mismo yel rt'ndi-miento efectivo adiabtico es 0,72.Ruput,lo: 47,8 kW.4-2. DefinicionesfundamentalesAtenindose a lay al modo de desplazo-mienLedel gas, los ventiladores50clasificanen centrfugosy axiall!!l. La presin Lotal desarrollada por UII ventiladores igual 1:I la diferencia de 109 presiones totales enla partdoimpulsin H:, yenlade aspiracindel conduelodoaireHI=- 1ft - Ha: (3-1'>La presin esttica de un velltilador sedefiue como ladiforenciaentrela presintotal H1y ladio.mica enlatubuladura de impulsin del ventilador.151(4-17)La presindinmicadel ventiladorsocalcula por lasi-guiento frmula:donde pes la densidaddel airesuministrado por el venti-lador, kg/ro&;D, la velocidad del airo en la tubuladura de impul-sin, mIs.Lapr9llindesarrollada porel ventilador, dependedelaresistencia hidrulica que ejerce la red de aire. Cuantomayor sea la resistencia ejercida por la red, tanto ffilJnorser la capacdad (el caudal) del ventilador. La relacinentrelacapacidaddel ventilador yla presindesarrolladapor ste se representa enforma de grficos o tablas en losmanuales dedicados 1:I ventiladores y se denomina caract.e-riatica del ventilador.La potencia del accionamiento del venWa(tor, W, sepuede hallar aplicando la expresin:N.=VHI , (4-16),.donde Ves la capacidaddel ventilador, m&/s;HI la presin total creada por el ventilador, N/m';'Iv. el rendimiento del venUlador, igual a 0.5... 0,85,en (uncin del tipoy la capacidad.La potenciadel motor elctrico qne acciona el ventilador se describe por la frmula:NN...----,. 1Jtr1Jm. edonde '11. es el rendimiento de la transmisin, igual a0,85... 0,95 en caso de transmisin por correa;Tlm.e, el rendimiento del motor elctrico.Para los ventiladores geomtricamente similares, quedifieren slo por sus dimensiones geomtricas, se observaUDa Ilemejanza de capacidades, presiones desarrolladas ypotencias cOlIsumidas.Sise conocen lacapacidadVI' laaltura(carga) tica HIyla potenciaconsumida NI para unode los ventiladores, perteneciente a un grupo de aparat 17 {DOId/kg.5-6. Determinarel poder c.lorficoinForiordelamaderadeconferos, si para la humedadW- = 45%yel contenido.le C1 el voJu-men de los seeos deber determinarse considerandoel exceso de eiraV" . = + (a- t)Vt: (5-18)"" 0,79Vt + 0,0187K", (&-19)donde 0.79Vtes eJ volumen de nitrgenocontenido en lecantidad tericamente neceseria de aire, ml/kg; 0,0187 K",el volunlen de los gases triatmiC09(5-20)El volumendelosvaporesdeagua, ml/kg, para la den-sidad en condicioD@.!I normales P..... = 0,805kg/m', se de-termina usando la frmula(!l-2t)o bien(5-22)El volumen de los produclosde combustindeuncarbu-rRnle gaseosotambinse calcula aplicandoIEl frmula(5-t7),con la particularidad de queVno. =0,01 (COI +CO+H, S+CH, +2C,H,). (5-23)Para a=1,{H.S+HI +2CU.+O.l24dc+h TC... II .. )+O,16IVt,(5.24)donde d. esel conteoidode humedaden01 carburantega-1&080, g/m'.Para a >t,Vn,o= (a_ t) VI' (&-25)169El volumende 10:5gUe!I BeC01I 8n Cll:50de a >1sedeter-mina considerandoel hecho de quev...1nV +Vllllll..... =RO' N.'(5-%)V/ll1n=N.' 100Paro la proei6n atmosterica y la temporatura t, el vo-lumen de losgases, secalculaa base de la frmula vd t + -ffi-). (5-27)l.ll entalpa de 108 proouctoa de COlnbustin " kJ/kg,se determina como la suma de laentnlpia mnima de losproductos decombustin(siendoex= 1) Yla entalpa delaireexcesivoalatomperaturadelos producto!! decombus-tin tr, oC.Cuando ex.>1,1 _ 1:,ln +(ex. _ 1) /,:1".donde ::,In = Vl c.t. es la enlal pia dol aire paraex = 1. kJ/kg;1;'ln. la entalpa de los proouctos de wmbustin a = 1. kJlkg.1;,ln "'" (v:'IIlC" +. )ti;son, respectivamente, las capacidadl!lS ealorficas volumtricas del aire, de los gases y losvapores de aguil. Rpresin COllstonlo.respectivaloellte, las teml)Craturall del airey de los produclos de combustin. oC.Problema.5-1;7. Doterminar el volumen y la entalpa de los pro-ductosdecombustinenlasa.lidade unhogar, as comolacantid'lldterica y reo! de aire necesariopara qU('0I0t 1m'de ga:cuya. comPQsicinsigue: COI':'....CH. - 97,9%. C,H. =0,1 %. N, ... 1,8%. El coch-cieotedcoxccsodel oire a __ 1,1: lllltemporaturll delos gasesen 111. s311da del hogar '.=1(M)() oC.HO80t1lC1611. OetermillalJl08 la cantidad tericamente nocesaria de aire usando la frmula (r.-16)v,_o.om[0+0+0+ \.97,9+ 0,1 -= O,0478195A =9.35 mi de aire/mi dogasnllturaJ.La cantidad real de aireV, = aV, _ 1,19,35 = 10,285mI. de aire/mI. de gasnAtural.Hallam08la composicinde losproductosde combustinvalindonos do la frmula (r.-17)VI "",VI" +V.....dondeVK = V m'o V Vno1n.1.= RO. +s.'Vn(h"",O,OI (CO:+CO+ H1S+CH, +2CzH,):V"lln =O79V+.!!Ls. ' , lOO'El volumen de tos vapore!! de aguaparo a.=1,1 serV.... == 0,01 (H,S+H1+2CH,+ 0.12qd.+C,H,) +0.0101 VI'donded, ClI el contenidodehumedadenel combustiblega-seoso. g/oll,Segn Ins daWs dol problema, d,=O.Determinamos Vnol=0.01(0,2 +O+0 +97,9 +20,1) == 0,983 ma/mlLuegoVs,_O.79.9.35+m'/m'.El volumen de lO!! gases secos para ex.=1 n'SlIlta=0,983 +7,4 "'" 8.383 m'/m'.El volumen de los gases secos paraa=1, 1V. "'"8,383 + (1.1_ 1)9,35"'" 9,318 mio/mI..El volumen delos vapores de agua para a=t,\71 + o + 297,9+ O +0,'1.)+0,0161.9,35==0,01 . 195,9 +O,15QS= 2,11 m/mlEl volumen de los vapores de aguRpara a = 1,1.Vv. = 2.11+ 0,0161.(1,1 _ 1)9,35 -"'" 2,11 + 0,015==2,125 m'lm3El volumen total de los productos de combustin paraa=l,l serVI> = 9,318 + 2,12.') = 11,4!J3 m'/m.La entalpadelosproductosdecombustina la temperatura tI\" = 1000 oCse determina abase de la frmula(5-28).Si a=1,1donde ro'" (Vro'" +Vro'o )g = 11_. '11" v . 'v. tu'La l,'".apac,lad calodfica voluJOtrica media de los gasesa t =1000oC constituire =l'lf,C"J. +v,'.a"v.. V., .a I'g' ..,.Lacapacidadcalorficadeloscomponentes individualesenlos productosdecombustinlalomamosdela tabla 2-2,"RO.="co.=2,2035kJ/(mlK);"11/=1,3917 kJ/(rn'K);"v. -1,1229kJl(m"K);",,-1,4091kl/(m3K);1),9831.4 t.39t1+:l,i25.1,1229CI>_ 11,443 entalpa de los productos deresllllar=(8,383.1,42 + 2,1251,7229). tOOO= t:J,55tOS kJ 1m";Ig =15,55.101+(t,i -1)9,3501 J097.iOOO =16,87HP kJ/m".5-18. Determinar la cantidad tericamente noccsnriade aire para quemar 1 m3 de UJI gll.S, ('.nyll. composicin l-'1I; = 0.1 %; CH.= U7,9%; CIlio=0.5%; CaH8=0.2%;C,HID=O,t%; N2 =t,3%.RespUl!sta: Vt= 9,5ml/ml.5-19. Determinar las cantidades te6ricamente necesariayla realdeaire quo so requiereparaquemarantracita, cuyacomposicin elemental se da acontinuacin: W n= 5%;Aa =13,3%; S:Q! =1,7%; .o" =76,4%; Ha=1.5%; Na==0,8%; O = 1,3%.El coeficiente del ollCesOde aire en lacmara de comobustin adptese a.=1,2.Solucin. La cantidad tericamente necesaria de airequose requiere para quemar 1kgde combustibleslido yliquido se determina aprovechando la frmula (5-14):VI =O,0889C +O,2%H"+ 0,033=0,0889- 76,1,159,3,') = 10,75 m'lkg;el consumode aire a la = 25eCrasulto.rV;=V. (1 +;;3) = 10,75( 1 +~ ) =tt, 73 m3jkg.5-3. HogaresDefillicionell fundamentalesLas caracterlsticas trmicas esenciales de los hogarescon fuego apilado (en capas) SOn;la llo.rgll. trmicQ. ospecflla de parrilla, es decir, on la su-perficie de combustin, kW/(m2h),Q BQrll71"= -H-, (5-29)dondeB esel consumo decombustible, kg/s;Qrll' 01poder caladneoinlerior del llombustible. kl/kg;R. el rea de la parilla, m';lacarga trmica espedfica enla caja de fuego, kW/(m'il),..2.= BQrll , (5-30)Vt VIdonde Vtes el volumen del hogar, m9Probleml\S5-28. En el hogar rle uno. caldera de vapor, can fuegoapilado sobre una parrilla sin fin. se consumen 65CH'.l kg/hd6 combustible, cuyo poder calorfieo inferior Qtn ==10 700 kJlkg, Determinar el rea Activa de la parrilla!jiufin yel volumendela camaradecombustin, si lo. car-ga trmicaadmisibleen la superficiedecombustin QIR ==. 4.19106 kJ/(m'.h)y la carga trmica del hogar Q/V, == 1,OS0-1Q8 kJ/(m3.h).175Soluddn. El roaactivaen la superficiede combusti6ndelaparilla sinfinsedeterminaabase delafrmula(5-29)El volumendel hogardelacalderasecalculaaplicalid ola frmula (5-30)6500107001,5'10'529. En el hogar de U1UI cal.dera de vapor se queman6000 kg/h de un combustible, cuyo poder calorlfico infe-rior Q ~ I I = 21 000kl/kg. Detenninar la carga t6rmica es-pecifica de la superficie decombustin y la de \11 Cllja deluego, si R.e= 33,1 ma; Vl= 130 w.ResplUsta.- QIR=3,82i()6kJl(mlh); QIVt=0,97.10"kJl(m3 h).5-30. Dllterminll:r 01rea de uoa parrilla en la que sequeman B= 7300 kg/h de combustible, si Qrll =12000 kJ/kg,Y la cargatrmicaadmisiblede. lasuperficie decombustinQIR= 3,351(}8 k1/(m2h).ResplUsta: R= 26,2 ma.53i. Detenninar lacantidadrealdeairequosenecesitapara quemar 1kgde combustible, si el coeficiente de ex-ceso del airedentrodel hogar es a= 1,2.ResplUsl4: Vr=i,2Vo'532. OeLerminar el volumen de la cmara de combustinenunequipodecaldera, si la cargatrmicaadmisibledel hogarQIV1 =1,O'1lPMJI(m3.h). Enel hogar de lacal-dera se quemanB =4000 kg/h de combustible, cuyo podercalorilioo inlerior Ql'n =20 MJ/kg.ResplUsta: Y.,.c=80 m'.5-33. Determinar el consumo del combustibleconveneio-nfll en una sala de calderas, si se conoce que el consumo deuncombustible notural, cuyo poder calorHicoinferior Qrn == 29,3 M1Ikg, constituye 20 tlh.Respuesta: B= 20 t/h.534. En una empresase utilizl\n productos combusti-bles !lecundar1os enlacantidadB=100 t/dia.Supoder calo-176(6-1)(6-3)(6-')rficoiofcriorQr" =7,325MJJkg. Determinarlacantidaddecomhustible natural ahorrado si su poder calorifico inferiorQtn= 29,3 r-.U/kg.Respuesta: B_25 t.CAPITULO6Instalaciones de calderas6-1. Balance trmico,rendimiento deUDequipo decalderA y consumodecombustibleDefinicionesfundamentalesSi IHloptaruos que la cantidad do calor suministrado alhogar de una caldera es igual al podercalorfico de 1 kgdo combustible, la ecuacin del balance de Iln equipo deculdera se oscribir en la fOnTIa siguiente:Qr"=Q donde Q j" es el poder calorifico inferior del combustible,kJ/kg;Q.. el calor aprovechado (para obtener vaporJ kJ/kg;!:Qpr. la suma de todas las prdidas de calor habidasen el equipo de cllldera, kI/kg2: (6-2)QI' las prdidas por el calor :sensible de los humoso gases de escape, kJ/kg;Ql. las prdidas de calor debidas a la combustinqumkllJrlente incompleta, kJ/kg;Q\, las prdidas debidas al combustible no quema-do, kJ/kg; las prdidas de clllor 111 medio ambiente (porconductividad y radiacin). kIlkg.Las de calor pueden referirse al poder calo-fico,Inl combustiblequemado enporcentaje. Entonces100= q + qpo\c;Ll 9pr =(}I + (]3+ ()\ + 95' 177(6-1)(6-3)(6-')rficoiofcriorQr" =7,325MJJkg. Determinarlacantidaddecomhustible natural ahorrado si su poder calorifico inferiorQtn= 29,3 r-.U/kg.Respuesta: B_25 t.CAPITULO6Instalaciones de calderas6-1. Balance trmico,rendimiento deUDequipo decalderA y consumodecombustibleDefinicionesfundamentalesSi IHloptaruos que la cantidad do calor suministrado alhogar de una caldera es igual al podercalorfico de 1 kgdo combustible, la ecuacin del balance de Iln equipo deculdera se oscribir en la fOnTIa siguiente:Qr"=Q donde Q j" es el poder calorifico inferior del combustible,kJ/kg;Q.. el calor aprovechado (para obtener vaporJ kJ/kg;!:Qpr. la suma de todas las prdidas de calor habidasen el equipo de cllldera, kI/kg2: (6-2)QI' las prdidas por el calor :sensible de los humoso gases de escape, kJ/kg;Ql. las prdidas de calor debidas a la combustinqumkllJrlente incompleta, kJ/kg;Q\, las prdidas debidas al combustible no quema-do, kJ/kg; las prdidas de clllor 111 medio ambiente (porconductividad y radiacin). kIlkg.Las de calor pueden referirse al poder calo-fico,Inl combustiblequemado enporcentaje. Entonces100= q + qpo\c;Ll 9pr =(}I + (]3+ ()\ + 95' 177dondeq=-.2!...-tOO- qqIQtn"Q!,. q,=..2!-.tOO; (6-5)0:'" "'InEl calor de combustible aprovechado en el equipo decalderapuede doterminar de dos modos:t) como la diferenciaentreel poder caJorHico del com-bustible y la suma de todas las prdidas de calorQ, ...; (6-6)2) medante la ecuacin del bala.nce t@nnicoBQ. = D(l., - l. ), (6-7)do donde(68)donde Bes el consumo de combustible, kgJh;D, la cantidad de VApor que se obtione, kg/h;t", la entalpa del vapor, kJ/kg;l . , la entalpia del llgua de alimentacin, k!Jkg.El rendimiento de un equipo de C:1I1dera en porcentaje'lo.., se puode representar como 1111 relacin del calor apro-vechado al poder calorHico del combustible" . e- QQl tOO (6-9)'"uobtener de laecuacin del balance trmico(G-10)Si !econocen la capacidad de produccin de "''''por delequipodecaldera, los pa.rmet.ros del vapor y del agua dealimentaeiu, entonces el rendimiento dedichoequipo sepuede determinar usando la expresin'1M=b .J 100". (6.1 t)Le! prdidaspor el calorseDsiblode los ga..."eSQ2sede-lermlnall como la diferencia ent.relaentalpa de 10:1 gaseaque salen y la ent.alpia del aire que ha participadoen la178combust.in y que se infillr6atravs del revest.imient.o no6s1.llnco:Q.==- (VK.oc;ic.e-a(l".eVtC"i,,) ( 1 -) , (6-12)donde Vg ... esel volumende los gases de e!lcape en la sa-lida del ltimoconducto de gases, mS/kg;t g, la capacidad calorHca volumtrica media de losgases, kJ/(m3.K) a la t(l".,;ti'" La tomperatura de los gases de escape fuera delOCluipo de caldera, oC;ag... , 01 coeficiente de excesodel aire fuera del equipode caldera;VI' la cantidnd 110 aire tericemento necesaria pllraquemar t kg de combustible, m3/kg;r., la capacidad calorlfica ..'olumtrica media dolaire, kJ/(mJ K) e lo l,,;to, 11\ tcmpefnt.llra del aire en la Silla de calderas,oC.Lall prdidas docalor debidasa In comhustin qumica-mento incomplota del combustible, kJ/kg,Q3 = 237KQ' (6-13)vonde K" esel contenidoreducidodal carbonoen el com-busUble, que se detormina mediante la frmula(5-19), %;CO, el ontenidodemonxidocarbnicoen los gmsosde escape, %;1102 , el ccntenidode CO2 +802enlos gases de es-cape. %.Las prdidas debidas al combustible no quemado Q.,kJ/kg, vienen const.ituidas por las prdidas 11 travs de laparrilla. con la escoria y conel polvo volante:Q. =+Qr +Q:rr; (13-14)tionde son las prdidas con la escoria, kJlkg; las prdidas de calor a travs de la parrilla,kJ/kg;Qtrr lall prdidlls debidas al arrastre por el polvovolante, kJ/kg.LIS prdidas de caLor al modio Iimbiante Q5 se debena qua 1Msuperficios o;\"tcriores dal revestimiento y hlsnelementos metlicos del equipo deealdera, quetienen unatemperatura mb.!lIta que la del medio ambiente, emitencalor por conducLividad lnnica y radiacin.Al ofectuarlosclculos, lasprdidas Os, kJlkg, !!eadop.tan parliendGdo datos normaliudos, mientras que :11 11'::VDr acabolespruebasdeequiposde calderasedetenninan(l base de la ecuacin del balanco tnmUcoQ, =Qt"D- (O. +01 ++Qt). (u-tS)La frmula de cilculo para doterminar el consumo decombustible se expone a continuaoin:B=' .) O:-,,'I6-eLa relacin entre la capacidad horaria de produilldevapor del equipode caldera)' el consumohorariodecom-bustiblesedenomina poder de evaporacin del lile, kll de vapor/kg de combustible, (6-17)B,Conocicllde Qtny lle.e, !le puode determinarel poder doevaporAcin a base de la f6rmulo(G-18)P.oblem816L Esv g,Q__o,5.1&300 _ 7(;,5 kJ/kg.100 - 101)tBt el grado de prooi.sin del bolallcc trmicocalculadoQ:'1l ..., Ql +Qt +Qs+Q, +Q5= 13660+1 t05 +7ti,5 +382 ++76,5 =15300 kJfkg;q.+ q,+q,+q,+q$= 89.3 +7,2 +0,5 +2.5 +0,5 =El rendimientodel equipodecaldera valdr11e.c=q - 89,3%.Elde comllUstible por hora re!lullan.:n=Dh{lv-IR.Rl _ UlOOOO(3WO-9'1.3jtOll 41700 kg/h.- 15 ;;108!).3(i2. AtenilldoS9a losdatos del problema llu\..Crior, de-terminar ] prdidAporel calor sensibledelosgases doos-cape, si ItI t.emperaturndestos se eleva hastat.ft ....200 oC./lt8puesta: q.-9,5%.U-3. Abasedelosdlltosdel problema 6-1 delemlinllrell:QlISumO calculado de combustible, t(lmando en considerncin las prdidas debidu al combustiblll no quemado(1-1,)RuplLUla: BI: = 40700 kglb.(j.". Determinar la! prdidas totllles de calor durantet hdofuncionamientodeunequipodecalderaconcapaddad de produccindevapor D= lIhal quemar 166t/hdecombustible. cuyo poder calorficoes de 13500kJlkg.si 01 rendimiento do la caldera es .=91,2%.Re$puesto.: = HI7,208 MJ/h.U5. Partiendode 105 datosdel problema6-4dolernlinnl'el consumo de combustible por hora, necesario parAcom-pOllsar las prdidastotulcs de ca [01'enUI\ equipoue cu[derl\,Rerpuesto: Bptr = 14,GOB t/h.6-6. Determinar la5 prdidas por 0\ calordelos gtlse" de eSCApe, atenindose 8 los siguientes datos:Poder c:.1Ilorifico inrerlor del combustibleV..,lumendel aire te6riclmonlCoecuarloCoe{iciNItedeucuodel "re .VOIlIIDCIl do101 fllsesde nc.po .Temppruurad. los p_de E!!c:.1Ipe C.pacidadcalorfic. de 1011 iUl's 1, ,, .Tcmlperatu..del airo .Cap,cidad Nllorlicadel ,re182Hespuesta: q. = 10%.6-7. Segnlosdatosde tUl anlisis, el contenidodel mo-nxido carbnico CO en los gases de escape es igual al0,53%, y el contenidl} dega5eS triatruicos, no, = 10,53%.Determinar aSprdidas de calor debidas a lacombustinqumicamente ncomplota, si Ol'n=26()'J() kllkg, el conte-nido del CtubOlloen el combustibloca =72,47 %, yel delazufre = t,54%.Sollltin. La cantidadreducidado carbonoenel combus-tible, en correspondencia con la frmula (5-20), ser:Ka = Ca += 72,47 +0,375.{ ,54 =7:1%,entonces, segn la frmula (6-t3)Q, = 23773.830kl/kg;q,=Q: 100=100= 3,19%.Q,"6-8. Determinar las prdidas de calor debidas al com-bustible no quemado, si segnlosuatosde pruebasse cono-een las magnitudes que siguen:Prdidas conla escoria . . . . .Prdidas a trav!! de la po.rrlllaPrdidas dehid8ll al llrrutro por01 polvov"hntoPeder calorifieo nfor/or delcomblUtlblo . . .Q:"=125 kJ/kgQf=200kJjkgQ:rr _150kJ/kgOj',,_25 000kI/kgRespuesto.: = 1,9 %.69. Determinar losprdidasdecalor al medio ambienle,si =6%; q.=0,5%; = 2,0%;= !J0,5%.Respuesta: qs=1%.6-10. Las prdidas de calor al medioambiento = 1%y el poder calorfico inferior del combustible Qi'n = 22000kJ/kg. Determinar lasprdidasdecalor al medioambienteeu 1 h de. funcionamientode la caldera, si eldccombustiblo constituye BI>=10 t/h.Respuesta: =2,2CUh.6tt. Doterminarel consumodecombustiblelln UIl llqlli-podecaldera, cuyacapacidadde produccin devapor D" ==500t/h, a In presindel vapor Pe = 1/.0kgflcm2y Iy==570 la lomperaturadel agua doalimentacin l".183= 230 oC, el rendimiento del equipo de ealdera 'le... =_ 92,8% yel poder ealorfico inferior del combustibleorn= 19 500 kJ/kg.Ruput:d4: Oh ""'t57 t/h.6-t2. Detenninarel consumode combustiblega!eosoenun equipo de caldera, si se conocen105 datos siguientos:Cap.etdad bo...ria d' produc-einde yapor..... 1),,_15t/bCon!lWllo d9 ealor p.n pTO-dueil' t kd. yapor . 1,,-1. _2380kJ/kPoder uloriJieQ 1.. (1)1";0' deleombu!tiblo . . Qill-35 800kl/m"Rendimiento do] equipo decalda" l'Je.e-OO.7%Rupueta: Oto =1 100 6t3. Determinar elconsumodecombustible entUl cqllipedecdderaa partirde losdal= 1:'1,5 mino7-28. Determinar el tiempodecaldeounilateral deaceroen e.hapas de 10 mmde grueso, 2" ro de largo y 1.'; 1II deanl:hO, desde 1;"'= OoChastaf;"=500 oC, enun horno ca-olentador con la temperatura800 OC. El coeficiente deemisin de calor al: adptese igual a 110 W/(mzK) y lacapacidad calorrrira media del metal cm= 0.53 kJI (kg' K).La dlJOsidad del metal es de 7480 kg/mlRe$pu.e,da: 'r =353s = 5,88mino7-29. Determinar el rendimiento de un horno qut!doa 10ah de lingotesdeacero desdet;"..=O"C hasta ,;;..==USO ce, siendo igual a.555m1/h el consumo dt> ga5 na-tural, cuyo poder calorfico inferior =35 866 kJ/m'.Rerpuestn: 1')b =0,4.2.8CAPJTULQ8Sistemas de abastecimientode calor8-1. Calefacci.nDefinieioRIl!! rundamllolalesLa calefaccin de locales se practica para (,()fllpensar lasprdidas decalor desde aqullos yasegurar en IJllos ciorlatemperatura prefijada fIn durante las estaciones friasdel ao. Lasprdidasdecalor desdeunlocal Qpesepuedendeterminar eoniponienclo la ecuacin del balanco trmicopara el local cerrAdo;Qp.,=Qt +Ql - Q".ll"' (8-t)donde Q, sonlasprdidasdebidasalatransmisi(ndecalora travs de las superficies protectoras (paredesyventanas), W;O, las prdidas de caLor debidas a la infiltracindel aire fro en el local a consecuencia de lafalta deestanquidad, W;Oeg. ulor generado en l interor dl local, W.El valor de Ql sedetermina mediante la frmulaQ, =PknTt(t1n -I.,I), (8-2)donde Fes el readelasuperticieprotectoralocal-ambiente,

ko=;.' el coeficientede transmisi6n decalor da lasestructuras protectoras local-ambiente, WI (m: K);!lo, la resistenda trmica de las estructuras protectoraslocal-ambiente, (m2 K)/W;n. el coeficiente depara la diferencia detemperaturas de calculo; para Jos muros de carga,revestimientos y pisos sobrestanos, 11 =1, paraJos pisos de desvn, n = 0,8... 0,9, vease [81;tln, la temperatura de clculo del aire en el interiordel local. cC;te,,;, la temperatura de clculo del aire exterior, "C.219Las magnitudes koy Ro se determinan para la pareddocap,as mltiples(vase el capitulo3). Paralasestructu-rasexterioresmodeloko YRo setomanenlasGuIasdenor-mas y reglas deconstruccin.La temperaturase adopta segn sea la finalidaddel local. Para las viviendas=18... 20 oC, para loslocalell de produccin, desde t8oChasta tOoCtomando enconsideracinel calor generado en el interior, el grado doactividad fsica del personal, etc. La temperatura tu seadopta partiendo de loa datos climatolgicos de la reginpara la cllal se realiza el diseo. Alas de calorcalculadas por meda de la frmula (82) sesumanlas plr-dida., en(uncindelaorientacindelasestructuras protec-toras de los locales respecto de los puntos cardindes, ladireccin predominante del viento, etc. La!! prdidas dee.ator Q, constituyen la parte esencial en las prdidas to-tales de calor desde \Ill local. por cuyaraznestas ltimasse expresan en la forma siguiente:Qp.e=Qt{t+S:)=Qdt+fl). (8-3)El coeficiente de infiltraci6npara los locah'Sde viviendase adopta igual a cero. Las prdidas de calorpor infiltracinenlosedificios industriales pueden comlt;-tuir un 25... 30% de las prdidas de calor a travs de lasuperficie protectora local-ambiente. Para los locales devivicllda. la magnitud de Clllor generado en t'l interior seadopla igual acero. Paralasempresas industrale5, lacan-tidad decalor generadoenel interior sedetermina conside-rando la fuente que lo desprende. Para determinar la po-lenda calorfica de las centrales generadoras de calor, lasp6rdidlis de calor se delerminan a partir da las caracters-ticas ttirmicaa l!s>e(:ficas de loa edificios:Qp.... = alJe Vn(t1n -t.u)' (8-gido. Segn losdatos tcnicos, paraVm =7,57 kg/(m2'5)y Vtub=0,057, ('1coeficientedotransmisindecalor:k=7t kJ'l(m=hK).Enlonces Q=Fk (tm.c-t .... ;o,) =44,3 . 71 (110+1)=349,128 XX 1()3 kJlh.6. Elogimos el nmero de calorferos.Encorrespondencia ('.on las reglas de disefio la reserva.de capacidad en la instalacin calorHera debe ser igual al20%, por esola capacidad Uirrn!ca total de los calorferosque debern nstalllrse, cODstituir456t(}3t,2=547,2t():l.Elegimos doscalorferos conlacapacidad trmica(,5ta-blecida de 34'J,128tQ3.2 =69B,256tfr1 kJIh.8.3. Abastecimiento de agua calienteDeHni{'ionesfundamentalesEn cualquier di..,tritodotado de unsi5tcwa deabasteci-mientocentralizadodecalor, steseconsume nos610paraasegurar la calt'faccin y la ventilacin, sino tambin alsu mili iatrar agua caliento. Paradeterminar el calor consumi-doal abaslecer aguacalientoprimt'rosecalculael consumomedio por hora durante una semana:Qm. __(JUt:a(lc-t,) (8-21)_'C - "(\ ,dondea eslanorma de conSumodeagua calienle conlott'ill-peratura de 65 .oC, I (kg) por unidad consideradapara el cmputo;.(J, lacantidadde unidades collsiderada'" para el cm-puto(enloslocales de vivienda eael nmerode per_sonas; enlosservicios comunales, la cantidad deoperaciones, camas, visitM, otc.);232(8--22)('.' lacapacidad calorHica Ilel agua, se IIdopta igual a4,19 k1l(kg' K);tn , la telllp4'.raturadel aguacaliente, seadopta igual a65 "c;t" la temperatura del agua fria, en invierno t rd ==+5cC, en verano t, ... = +15QC;lid' la duracin terica del suministro decalor paraase-gurar el abastecimiento centralizado de agull CA-liente duranto las 24 horas (dla), h/da.La norma de consumo y la duracin del suministro deagulI calientedurante las 24horas dependen de lacaracte-rsticadel usuario (vanse los Apndices 17y 18).El gasto medio de calor por hora durllnte las 24 horasdeconsumomximodeaguasedeterminatomandoencon-sider8cinel coeficientede irregularidaddiariaduranteunasemana k"Para edificios residenciales y pblicos k" = 1.2y paraobrasindustrialesyempresas kd = 1,0. El consumomximo(de clculo) de calor por hora, correspondiente al abaste-cimiento deagua caliente, se determina multiplicando elconsumo medio diario por 'JI coeficiente de irregularidadhoraria del consumode calor durante el da en que seconsume el mlximo de agua kh :(8-23)(8-2.'J)Al realizarclculos aproximados, se puedeadoptar paraciudadesypoblados kh= 1,7. .2,0 y ))1Ira empresas i n d u s ~tria les, kh= 1,0.El consumo anual de calor con fines de asegurar elabaste; = const, correspondiellte al proceso de calenta-mientodel aire, ydesdeel puntoquemuestrael estndodelaire a suministrar, la lnea "t =const, correspondientealaelevacinadiabaticadelatemperaturadelaireal redu-cirlabumedad, hastaquelIecruceconlalineadel calenta-miento dol aire exterior.El puntodeinterseccincorresponderal estadodel airecalentadoantesde entrar en lacmaraderociado. En eldia-grama Id 86 determina la temperatura del aire calentadot':;r ,= 29,5 oC. En este caso el cOl1sumode calorparaelcalen-tamiento de aire resultar:Q=- i e,,) =3000 (29,8- 20.2)= 150MJlh.240824. Calcular el proceso de trlltamientode aire en unacondicionador. para la tlllDporadll calurosa, si los par-metros del aireexteriCN' son: tu:=3t oC y d...=9.8gfkg.Los parmetros del aire que sesuministrll debenser: t., "'"'.-: 20 oC ycP'" =SO%. Elalstemll funcionalinrecirculaci6n.El gaatodel aireanuentees de2500kg/h.Rupunta.: El consumo de froQ, _66,6 ~ 1 J I h .El COMumodecalor Qlntidaddeaguaenformade vaporW=G(dn =860(t4 - 10) = 3,44kg/h.8-5. RedesdecalefaccinDeillllclonesfundamentalegLas redes de calefaccin son 1100de losolemonlosescn-ciales del sistema de abalStecimicnlo centrllLzo.do de coLor.Para asegurar la Habilidad delde energi>, el!preciso elegir el dimetro do las tuborial! partiendo Jd242gasto prefijado y cOJ1siderlllulu In velocidad lldlLlil:lihle delagenteportadordecalor. Aveces, conociendoel dimetroyla prdida prefijada de presilJ, IUIYquedeterminarel cau-dal de una tubera.Losdatos inicialesparadeterminnr el rlilmetro de ullatuooria fueron expuestos en el Conel fiu defacilitarel clculu, las resistellcia:;!localesdel tramo, que se someta al ckulo, se sustituyen por lalongitud equivalente, es decir, lalongitudoeuntralUorec-to dela tubariatal quelacad3doprosinenl seaigu3l ;llaprdidade presin on la rcsilltencia local. SumaJl(lo loslongitudes delostramosrectosylas longitudes equivahmt6s,se obtiene la longitud reducida lred' Il partir de la cual,conociendo la cada especfica lineal de presin. /l, sede-termina 13 prdidatotal de presin /:ip (de 111 alt.ufll ,leprlol-sin /:iR) en el tramo considerado(8-'14)(8-35)(8-36)o biendedonde =0:, el llamarlo coeficientedeptlrdidBslocales;l + la longitud reducida.EntoncasPor otra parte, adoptando (valorando apro:dmadalllcn-te) a, paralosparmetrosl y /:ipprefijados, .sepuede hallarRl Por esolafrmulaolJtenidaparadotorminaf el diliml'trodelatuberad, m, sepuedeescribiren 111 formaque sigue: d=O,63 611" (8-37)R' pi, ..dOlldek ell larugosidad absoluta, ro;e, el consumo de agente portador de calor, kg/s;R., la cada!iueal especfica depresill, Pu/m;p, la densidad del agente portador de calor,kg/mS,La rug... sidad absolutaIr, m:para conductos dovapor .pua redl!$de 8gU8 . . . . . . . . . . .paraconductosdoeondcnsado .....2-\0-'5. W-lj.l(r'OO 243El orden de operaciones para calcular el dimetroddeuna tuberll sinderivaciones, a partirde ungasto prefijadode caloportador G, tJb, yunacadaadmisihledepresintJ.p,Pa, tiene que ser el siguiente;A, Clculo preliminar1. Se definen los cooficientes de prdidas locales apara el agua, o;=O,OtVa;para el vapor, o:=O,t 'VG:2. Se determiJl8 la cada lineal especifica de presi6nRl=tJ.p/l (1 +a).3. Se halla la densidad media del caloportadorp=Pln-tPnn.4. Se calcula el dinletro de la tubera aplicando laf6rmula (8-31).B. Clculo de comprobacl6n5. El dimetrohalladode la tubera se redondea hastael valor pr6ximo segn las normas estatales.,5,/"'-=6742 400-_(1080000 + 834 (00) = 926 800 kJ/h.Las prdidas especficas de calor rosuitarn:1\) do! arrastrado por los gases de escllp6q""" 01BQJn11) ttel cedidoal sistema de refrigeracillQrtt tOO 926800tOO 326"\ -- 2840000 = ".BQln9-15. Paralascondicionesdel problemaanterior, deter-minar el gaslode agua relrgertlll1te 011 01 motor, si rientrodo ste el aguasecalienta en tO OC.22 '100 kgJh.9j6. Determinar la prdida decalor del carburanteenporcentaje,debidaalacombustinqumicamenteiocomple--ta, 51 la composici6n aprovechable del carburante E'n masaes: C- = 86,O%;H- = 13,5%;0"' = 0,4%: wa= 0.1%. En108 g8llell de escape CO,=6.0%, ca=3,5%YnC) hay otrosproductos docombusti6n incompleta. 20,2%.2609-17. las componentes del balance trmicode 1111 molardecombustin intorna abasedelo!l resulladosdesuspruebas. Conunapotenciaefectivade 55kWdUr/l.lllfl15 min el motorcOl\same10,6kg de carburante, cuyoporlerealorifico inferioresde42350kJJkg. El gastode agua re-frigerante qu.e pasn a trnvs del motor constituye '1,5 kgts,yla temperaturadel aguarefrigeranteell el mismoseelevaen 8,2 '>C.Respuesta; = 33%; q.... , = 31 %; q, = 36%.9-18. Para utilizar el calor de los gasesdeeSCApe deunmotor Dierel, selUI instaladouna caldora recuperadoracuyaproduccin es detOookgJh devapor alapresindet,OMPay la temperatura tle 280 cc. La wmperatura del agua quasesuministraalacalderaesde 60CtC. Determinar el porcen-taje dl'l calor aprovechable del combustible, :li la POlCll-ci3efectivndel motor es de 1480kWy surendimiflntoefec-tivo 6!!! del 35%.18%.CAPITULO 10Tur binas de vapor y de gas10-1. Caractersticas delprocesodetrab (10-2)dondees el coeficiente de gasto (10-7)donde'iJ esel eoeficirmtoqueeonsiderael cambiode velo-cidad en la paleta ('1' = 0,8...0,9).Si laetapa es de reaoo in, en las tober8Sse 8provoeh8lavariacindeentalpah,,, yon laspaletas, h,:h,= h/,+h,,= io-l"doncie i ~ es la entalpia despuiisde laexpansi6n adiabtieaen la etapa, basta la presin que se registra onla salidade las paletas de la etapa de reawi6n,kIlkg.Entoncesel gradodereactivdadde lactapaes:h"P=""ii'j"". (tO-8)Por consiguionte, h, =h,(i-p)Y h,. = h,PAl incidir sobre las paletas de la etapa de reaccin,la velocidad del fluido constituyeel =44,&p V(/0- /,)(1 - p)+ ( ~ ~ 8rz (10-9)Al salir de las paletasla velocidad relativa esProblemas10-1. Determinar lo velocidad, presin y temporatura11 la salida do la tobera de la etapa de impulsin de unaturbina de vapor, si los parmetros desteantes deentraren las toberasson: 4,0MPa y370 "C. Enlaetapase uUl-1.ala variacin segn III proceso adiabticodelaentalpaigual a 209. 5kJ/kg. El coeficiente de velocidad para latobera Il!l qJ =-0,95.SolucIn. Partiendo de la variacin de entalpa y elcoeficiente de velocidad dados detenninamos la velocidadrealde salida del vaporc=44,8'PVtO-il=44,8.0,95 V209,5=615mIs.263"/'ilr. 10-1Losparmetrosdel vapor al saHr de la t.nbera !le dotor-minan a liasedel diagrama jI, considerandolarreversibili.dad de laexpallsin del vapor enlas loberas (fig. 10-1). Alos parmetros iniciales prefijadoll les corresponde la en-Ullpia del vapor;' =- 3140 kl/kg. Dadoquel.vartllci6nte6rica de laentalpl:a esh, = 209,5 kJlkg, est.e parmotrodol vapor de la expansi6nadiabUica f'enrsiJ,le:cmha == 111- h, .... 3140 - 209,5 =2930,S kJlkg, Segnel diA-l gramoi.I esevalor corre:oponde.q, alit presinde1,8 MPa. El estado roal del vaporeu la xalida de Ira tobera secaracterizar por la rn i3mApresin, mas laentalpasermayor enel \'alot' de laprdi-da de energiP. en la toberll,quere:lUltar igual l\Ah=- {I - 'P1)h. =(1 --0.(51),209,5,... 18,9 kJ/kg.Por con!liguiente,para-melros finales del vapor se-rn: PI- 1,8 MPa; t, =- 260 kW;D.,..yE&dJn=mnNn..El coeficiente que considera la utiliUlcin de laentalpa del vapor 11 sedetermina a partir dela variacindola entalpla (cantidad de calor disponible) en laturbinay la entalpadel vaporala presinenla derh'acin,,) os igual a:sin tener encuenta las prdidas,.. ,..(lt.lO) en cuenta las prdidas relativas interlHls on latl.lrbin8En los clculos se puede cOruliderar que el relldhnienterelativo interno enla parte de alta (ente la dcri-vlu:i6n) '1;, es igual al rendimiento relativo interno d('toda la turbinaTI.I'Entonces.-!1I=1-11'., (t1-12)Los parlnctros y los de vapor suministrado Illos c310ntadores 5, 9 Y01 desaire.dor 6sedoterminan ate-2nindose a la tcmporatura dlll ngun antl'.9 (t') y dospus(t")del calentador correspondienteyala cantidad de agua.Apartir deIntemperatura Ilsignndadel ngundealimell-tacin antesdo cnlnlr on la cnldera do vapor t . y de latemperatura de sahtraci6n, n la presi6n existente en (>1condensadorsedetermina la diferencia de temperaturast.- tc. n In cunl hay quecalentar el agua en el caminoqucrocorre lesde elcondensador h.astala".aldera. Se adoptaque en cada calentador la temperatura del aglla se elevaen nnos mismos grndos. As, para TI ('.alentadores, en endaunodeellosel aglla secalientaenAs. pUell.(11-t3)(t1-11,)En la derivncin In presin de vapol' debe SOl' t81 quela temperaturadesalutacina esta pre,'!Inseaen5..10 oCms altaqueIntemperaturahastalaquese calientael aguacnel C3lentndor encuestin= l"te +(5... tU). (ti-fn)El gasto de vapor DI se determina valilldostl dl1 laecuacin del balance trmicGI(tic -lic)c" =D/(i" - fc)'!", (11-16)donde i" tlS la entalpa del vapor enla derivacioll pond lente, kJ /kg;1", la entalplll del condensadoa la presin existenteen la derivaci6n, kJlkg;llc=0,98. el rendimientodel calentador.La cantidad de vapor G" y de agua despus de pa5arpor el expalLSor Ga.es3,6-94048,7 =39,62t/h.2006,Hi289tI-23. Aundesaireador detipoalmosf'ricososuminis-tran 100uf de agua con la temperatura media del flujode 75 oC. Determinar el gaslo de vapor COII entalpla de2891,0kJ/kg. La prdidadecalor al medioambienteadp-tese igual al 2%.Respuuta.: Dd=5,35 lfh.11-24. Determinarel cO[l.llumode'-.por a la presindat ,2kgl/cm' ycon ,", '"'" 2680 kJ/kgdestinadoparadesairearflujos doaguaquose luministr.lln al deulroador: G.= SO,O kg/sconla eotalpia ti = 377 kJlkgiG. -= 5 k/a con i. = 564kJ/kg;e.... 4.0kg/acon i;J = 126kJlkg.Ad6ptese i.:! = 435 kJ/kg; 1'Id c: 0,98.Rupuuto.: Ud . el rendimiento Illednico del compresor.P,oblemas12-'. Determinar la capacidad frigorfica volumtricambica y terica del fren 12 (difluordielorometano) a latemperatura de evaporacin de -20"'Cy la temperaturade condensacin de30OC.Respuesta.; qo - 126,13kllkg; q. _1140122. La capacidad refrigerante de Ulla mquina frigoelfiea a rren, siendo la temperatura de evaporacin de-15oCyIndecondensacinde50 oC. es igual a9,3kWyla potencia eonsulnida por el comprnsor, a5,8kW. Deter-minar el factor de refrigeracin y la variacin de la capa-cidad frigorllica al descender la temperatura de condensa.cinhallta30 oC. Duranteel clculo, considrese invaJ'iabloel coeficientede alimentacin del compresor.Respuesta. Q = 11,27 k\Y.123. Una inatalacin frigorffica a fren tiene la capa-cidad refrigerante de 840000 kl/h a la l_emperatura deevaporacin do -10 "C, la de coildensa. 3.!loll308El calor rocibido del medio ambiente resultar:Q ~ = Ql - L=800 000- 136 518 =663482 kl/JI.12-11. Determinarel gradode perfeccin de unabombade calor si sta suministra O.= 505 000kJ Ih a unsistemade calefaccin, inviztiendo el trabajo L =83500 kJ lb. Lastemperaturas declculo son tI""15 "C; lo =- 5 "C.Rel>puesta: (J. =0,42.AP,E:NOIeE tEquJveleDde entre luu u . l d f l d ~ demedidamsI13fIdu en1$lermnteenla1 (kgf 'a")flll- !l,80665b;1 kg= 0.10t972 (kgfa")Tm.kgf =- 9,80665 N;N... 0,10t972 kgf.Presin11,1,11N/m"=- 1 PIl;kgflern""'"98066,5 Pa;alm_ 760 mOl Hg_ 101325 Pa;kgriml."1 mm H.o ..9,80665 Pa;mm' Hg .. 133,322 Pa;Pa... t,01972tO0kgf/em"-=0,101972 kgf/m":Pa= 7,5006.10'"mm Hg = 0,10t972 mm H ~ O .Trabajo '1 energia1kgfm- 980665 1;t eYh= 2,648.to- 1:t '\9845 leealltl.DeDSidad del lIulG ealorifieo1 h) = 1,16301 \V/m = 0,23885'10'" cal/(ero'a) _ 0,859M5 keal/(m'b).Calor especifico, entropa ellpOOUlea1 cal/(g.K) = t kc:al/(kg.K) =4186,8 I/(kxK);t 1I(kg .K)_O,23885 10-' calleg. K)-O,23885.104kcall(kg K).Coetielente de emisin ealorfflca, de tl'8ll.'1ml!ln de calor1 kcal/(mt.b.K) _ 1,1630 W/{mt.K);1 W/{m"K):. 0,859845 kCllll(m'h.K).Coe!lcieute de elHlduetlbl1ldad t';nnicat kcal!(m.b.K)= 1,1630 W/(m.K):t W/(mK) = 0,85954.5 kc:al!(mb'K).2Coeficientesde reslslenclas loclllesTipode1000alGrifodopuod=40 ... .005 2,G75'.23l."16,00 0,701,

",W/{m.K) malOflal" kl/{kl'K)Cermica Illvoo-,.,"00-1,16 0,840Costra d,