Table Of ContentLA 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.
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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 re-
ferente 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 kilo-
gramo 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 interna-
cional, 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 ac-
tividad 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 kilo-
gramo 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 tempera-
tura 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.
