Introducción a máquinas témicas e hidráulicas

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MÁQUINAS TÉRMICAS E HIDRÁULICAS

Docente: Luis Villagrán PeñaIng. Civil Mecánico - U. de Concepción

Magistrando en Ingeniería en Procesos de Minerales - U. de Antofagasta

Otoño 2008

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MÁQUINAS TÉRMICAS E HIDRÁULICAS

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DE FLUIDO

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Objetivos Específicos

1. Identificar el concepto de máquina de fluido.

2. Clasificar y listar las principales máquinas de fluido utilizadas en la industria.

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Contenidos

• Concepto de máquina de fluido.

• Turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo.

• Máquinas de fluido motoras y generadoras.

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Máquinas de Fluido

• Una máquina es un transformador de energía, es decir, absorbe energía de una clase y restituye energía de otra clase, o bien, de la misma clase pero transformada.

• Por ejemplo, un motor eléctrico absorbe energía eléctrica y restituye energía mecánica; una grúa absorbe y restituye energía mecánica.

• Máquinas de fluido son aquellas máquinas en que el fluido, o bien proporciona la energía que absorbe la máquina, o es el receptor de energía.

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Clasificación de las Máquinas de Fluido

• Las máquinas de fluido se clasifican en máquinas térmicas y máquinas hidráulicas.

• Una máquina térmica es aquella en que el fluido en su paso a través de la máquina varía sensiblemente de densidad, la cual en el diseño y estudio de la máquina no puede considerarse constante.

• Máquina hidráulica es aquella en que el fluido que pasa a través de la máquina no varía sensiblemente de densidad por lo cual en el diseño y estudio de la máquina se hace la hipótesis de que la densidad es constante.

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Ejemplos de Máquinas de Fluido

• Máquinas térmicas: Motores reciprocantes de combustión interna, turbinas de gas, compresores, turbocompresores, turbinas de vapor.

• Máquinas hidráulicas: Bombas, ventiladores, turbinas hidráulicas.

• De acuerdo al principio de funcionamiento, las máquinas de fluido además se pueden clasificar en turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo.

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Turbomáquinas

• En las turbomáquinas los cambios en la dirección y valor absoluto de la velocidad juegan un papel esencial en su principio de funcionamiento. Es decir, la dinámica del flujo es esencial en la transmisión de la energía.

• Ejemplos de turbomáquinas térmicas: turbocompresores, turbinas de vapor, turbinas de gas.

• Ejemplos de turbomáquinas hidráulicas: bombas rotodinámicas, turbinas hidráulicas.

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Máquinas de Desplazamiento Positivo

• En las máquinas de desplazamiento positivo, también llamadas máquinas volumétricas, el órgano intercambiador de energía cede energía al fluido o el fluido a él en forma de energía de presión creada por la variación de volumen. Los cambios de velocidad del fluido no juegan papel esencial alguno.

• Ejemplos de máquinas de desplazamiento positivo térmicas: Compresores de pistón, motores reciprocantes de combustión interna.

• Ejemplos de máquinas de desplazamiento positivo hidráulicas: Bombas rotoestáticas, transmisiones hidráulicas.

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Máquinas de Fluido Motoras

• Las turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo se subdividen en motoras y generadoras.

• Las máquinas motoras absorben energía del fluido y restituyen energía mecánica.

• Ejemplos de máquinas térmicas motoras: Motores de combustión interna, turbinas de vapor, turbinas de gas.

• Ejemplos de máquinas hidráulicas motoras: Turbinas hidráulicas, actuadores hidráulicos.

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Máquinas de Fluido Generadoras

• Las máquinas generadoras absorben energía mecánica y restituyen energía al fluido.

• Ejemplos de máquinas térmicas generadoras: Compresores, turbocompresores.

• Ejemplos de máquinas hidráulicas generadoras: Bombas, ventiladores.

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Fuentes de Energía para Máquinas de Fluido

• Combustión: Importante en las máquinas de combustión interna y en la generación de vapor en calderas.

• Vapor de agua: Importante en la producción de energía mecánica mediante turbinas de vapor.

• Energía hidráulica: Importante en la producción de energía mecánica mediante turbinas hidráulicas y en la generación de caudal de líquidos mediante bombas.

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Leyes de Conversión de Energía

• Conversión entre formas de energía:1. Primera Ley de la Termodinámica: La

energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

2. Segunda Ley de la Termodinámica: Es imposible la conversión del 100%; parte se degrada en forma de energía térmica no recuperable.

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Algunos Equipos Transformadores

Química en mecánicaTurbina de gas

Química en mecánicaMotor Otto

Térmica en mecánicaTurbina de vapor

Química en mecánicaMotor Diesel

Hidráulica en mecánicaTurbina hidráulica

Química en térmicaCaldera de vapor

Mecánica en hidráulicaBomba

Mecánica en neumáticaCompresor

TransformaciónEquipo transformador

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Motores Reciprocantes de Combustión Interna

Motor OttoMotor Otto Motor DieselMotor Diesel

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Motores Reciprocantes de Combustión Interna

• Máquinas Reciprocantes: Máquina que opera basada en el movimiento rectilíneo alternativo de un dispositivo cilindro-pistón.

• Motor Otto: Máquina reciprocante también llamada motor a explosión por la forma en que se produce la combustión. También se conoce como motor encendido por chispa.

• Motor Diesel: Máquina reciprocante conocida como motor encendido por compresión por la forma en que se produce la combustión.

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Turbinas a Gas

TurboJetTurboJet

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Turbinas a Gas

• Máquina constituida por un compresor dinámico, una cámara de combustión y una turbina en donde se expanden los gases de combustión produciendo energía mecánica.

• Constituyen la base de los motores de reacción utilizados en aviación.

• Algunos tipos son:1. Turbo-jet.2. Turbo-fan.3. Turbo-prop.

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Calderas

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Calderas

• Dispositivo que genera vapor a alta presión y temperatura.

• La caldera es alimentada con líquido (generalmente agua) a presión mediante bombas de alimentación.

• Transforma la energía química de un combustible que puede ser sólido, líquido o gaseoso, en energía térmica, produciendo el cambio de fase de líquido a vapor, todo esto a presión prácticamente constante.

• El vapor generado puede utilizarse para generar potencia en turbinas a vapor o para otros procesos industriales.

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Calderas

• Existen diversos tipos. Típicamente se clasifican en:

1. Acuotubulares.2. Ignitubulares (o pirotubulares)• Existen otras clasificaciones, por ejemplo:1. Calderas de gran volumen de agua.2. Calderas de mediano volumen de agua

(ignitubulares).3. Calderas de pequeño volumen de agua

(acuotubulares).

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Turbinas de Vapor

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Turbinas de Vapor

• Turbomáquina en la que se expande vapor desde una alta presión y temperatura a una presión baja. Resultado de esta expansión se produce energía mecánica útil en la rotación del eje de la turbina.

• Generalmente se clasifican en:1. Turbinas de acción.2. Turbinas de reacción.

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Turbinas Hidráulicas

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Turbinas Hidráulicas

• Turbomáquina que transforma la energía hidráulica de un desnivel en energía mecánica útil en la rotación del eje de la turbina.

• Generalmente se clasifican en:1. Turbinas Pelton.2. Turbinas Francis.3. Turbinas Kaplan.• También se clasifican en turbinas de acción y

turbinas de reacción.

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Compresores

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Compresores

• Máquina térmica generadora que recibe energía mecánica para generar el flujo de un gas (generalmente aire).

• Se clasifican en compresores dinámicos (o turbocompresores) y compresores de desplazamiento positivo.

• Turbocompresores: Compresores axiales y compresores centrífugos.

• Compresores de desplazamiento positivo: Alternativos (compresores de pistón) y rotativos (compresores de tornillo).

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Bombas

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Bombas

• Máquina hidráulica generadora que recibe energía mecánica para generar el flujo de un líquido.

• Se clasifican en bombas dinámicas y bombas de desplazamiento positivo.

• Bombas dinámicas: Bombas axiales y bombas centrífugas.

• Bombas de desplazamiento positivo: Alternativas (bombas de émbolo) y rotoestáticas (bombas de engranajes).

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Ventiladores

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Ventiladores

• Turbomáquina hidráulica generadora que recibe energía mecánica para generar el flujo de un gas. A diferencia de los turbocompresores, los ventiladores producen un aumento de presión muy bajo (inferior a 0.1 bar), por lo que se consideran máquinas hidráulicas.

• El principio de funcionamiento de los ventiladores es análogo al de bombas rotodinámicas.

• Pueden clasificarse en ventiladores axiales y centrífugos.

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Conclusiones

1. Las máquinas de fluido son transformadores de energía en las que se utiliza un fluido para llevar a cabo la transformación. El fluido interactúa con los elementos de la máquina para que ésta cumpla con su objetivo.

2. Las máquinas de fluido pueden clasificarse en máquinas térmicas e hidráulicas según la compresibilidad del fluido. Si éste puede considerarse incompresible (generalmente los líquidos cumplen con esta suposición), se llama máquina hidráulica. Si la compresibilidad del fluido es importante en el diseño de la máquina, se habla de máquina térmica.

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3. Las máquinas térmicas e hidráulicas pueden subclasificarse en turbomáquinas o máquinas de desplazamiento positivo. En estas últimas el principio de operación se resume en la disminución del volumen ocupado por el fluido y en las primeras el funcionamiento se basa en aspectos dinámicos.

4. Las turbomáquinas y las máquinas de desplazamiento positivo también pueden subclasificarse en motoras (producción de energía mecánica) y generadoras (producción de caudal).

Conclusiones