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generadores de vapor problemas
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APUNTES PREPARADOS POR: JULIAN I. SALAZAR MORALES
CARRERA: INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL (ESIQIE)
ASIGNATURA: GENERADORES DE VAPOR
SEMESTRE : QUINTO
ACADEMIA : DISEÑO E INGENIERIAS DE APOYO
GENERADORES DE VAPOR
EL VAPOR ES AMPLIAMENTE UTILIZADO PARA CALEFACCION,PARA SECAR
PASTAS,PARA EVAPORAR DISOLUCIONES QUIMICAS,PARA
PROCESOS DE CALENTAMIENTO, PARA MOVER TURBINAS, MAQUINAS Y BOMBAS; PARA REALIZAR LOS
CIENTOS DE PROCESOS EN TODAS LAS RAMAS DE LA INDUSTRIA.
EL VAPOR ES UTILIZADO EN ESTOS CASOS, SIMPLEMENTE PORQUE EXISTE UNA NECESIDAD DE CALOR Y ENERGIA AL MISMO TIEMPO Y EL VAPOR ES LA MANERA MAS ADECUADA Y ECONOMICA DE TRANSPORTAR GRANDES CANTIDADES DE CALOR Y ENERGIA.
EL VAPOR ES FACIL DE PRODUCIR YA QUE SE OBTIENE DEL AGUA Y GENERALMENTE SE REQUIERE DE UN RECIPIENTE ADECUADO PARA PRODUCIRLO INDUSTRIALMENTE, ESTE RECIPIENTE ES UNA CALDERA O UN GENERADOR DE VAPOR.
AUNADA CON LA PRODUCCION DE VAPOR, COMO ES LOGICO SE ENCUENTRAN INTIMAMENTE LIGADOS UNA SERIE DE PRINCIPIOS Y CAMBIOS FUNDAMENTALES, LOS CUALES SE EXPLICAN EN FORMA PRACTICA A CONTINUACION:
ENERGIA.-POR ENERGIA INDICAMOS ALGO QUE APARECE EN MUCHAS FORMAS, LAS CUALES SE RELACIONAN ENTRE SI, POR EL HECHO DE QUE SE PUEDE HACER LA CONVERSION DE UNA FORMA DE ENERGIA A OTRA. EL TERMINO GENERAL DE ENERGIA NO ES DEFINIBLE, PERO SI SE PUEDE DEFINIR CON PRECISION LAS DIVERSAS FORMAS EN QUE APARECE.
CALOR.-EL CALOR ES ENERGIA EN TRANSICION (EN MOVIMIENTO) DE UN CUERPO O SISTEMA A OTRO. SOLAMENTE DEBIDA A UNA DIFERENCIA DE TEMPERATURA ENTRE LOS CUERPOS O SISTEMAS.LOS LIQUIDOS CUANDO SON CALENTADOS, VAPORIZAN Y EL VAPOR PRODUCIDO AL ENTRAR EN CONTACTO CON UNA SUPERFICIE DE MENOR TEMPERATURA SE CONDENSA, ENTREGANDO A DICHA SUPERFICIE EL CALOR CON EL CUAL HABIA LOGRADO SU VAPORIZACION.
CALOR LATENTE.- ES LA CANTIDAD DE CALOR REQUERIDA PARA LOGRAR EL CAMBIO DE ESTADO FISICO DE UNA SUSTANCIA SIN QUE EXISTAN VARIACIONES DE TEMPERATURA.
CALOR SENSIBLE.-ES EL CALOR QUE PRODUCE UNA ELEVACION DE TEMPERATURA EN UN CUERPO.
KILO CALORIA.-ES LA CANTIDAD DE CALOR NECESARIA PARA ELEVAR UN GRADO CENTIGRADO LA TEMPERATURA DE UN Kgr. DE AGUA. ES LA UNIDAD DE CALOR EN EL SISTEMA METRICO. ( 1 KILO CALORIAS= 1000 CALORIAS. LA CALORIA NO TIENE APLICACIÓN PRACTICA EN INGENIERIA).
BTU.(BRITISH THERMAL UNIT)ES LA CANTIDAD DE CALOR NECESARIA PARA ELEVAR UN GRADO ºF., LA TEMPERATURA DE UNA LIBRA DE AGUA. ES LA UNIDAD EN EL SISTEMA INGLES.
VAPOR.-VAPOR ES UNA FASE INTERMEDIA ENTRE LA LIQUIDA Y LA DEL GAS. LOS VAPORES TIENEN CARACTERISTICAS SEMEJANTES A LOS GASES, PUESTO QUE LLENAN POR COMPLETO LAS PAREDES DEL RECIPIENTE QUE LOS CONTIENE.
FLUIDO.-SE ACOSTUMBRA LLAMAR FLUIDO A TODA SUSTANCIA EN LA FASE LIQUIDA, DE VAPOR O DE GAS.LAS PROPIEDADES O CARACTERISTICAS DE LOS VAPORES SE ENCUENTRAN CONSIGNADAS EN LAS TABLAS Y GRAFICAS DE VAPORES.
VAPORIZACION.-ES EL CAMBIO DE UN CUERPO DE LA FASE SOLIDA O LIQUIDA A LA FASE VAPOR.
EVAPORACION.-ES LA VAPORIZACION DE UN LIQUIDO QUE TIENE LUGAR EN LA SUPERFICIE LIBRE DEL LIQUIDO.
EBULLICION.-ES LA VAPORIZACION DE UN LIQUIDO QUE TIENE LUGAR EN EL SENO DEL MISMO.
CONDENSACION.-ES EL CAMBIO DE VAPOR (FASE GASEOSA) A LIQUIDO CON UNA TRANSFERENCIA DE CALOR DEL VAPOR A LA SUPERFICIE DE CONDENSACION.
VAPOR SATURADO (Vs).-EL AQUEL QUE TIENE UNA TEMPERATURA IGUAL AL DE LA EBULLICION (CORRESPONDIENTE A LA PRESION A QUE ESTA EL VAPOR) Y CONSTA UNICAMENTE DE LA FASE DE VAPOR. EL VAPOR SATURADO QUEDA DEFINIDO POR SU PRESION O SU TEMPERATURA EJEM: Vs de 15 Kg/cm² ; Vs de 170ºC.
VAPOR SOBRECALENTADO (VSC).-TIENE UNA TEMPERATURA SUPERIOR A LA TEMPERATURA DE EBULLICION Y ESTA SOLO LA FASE DE VAPOR.
TRANSMISION O INTERCAMBIO DE CALOREs el flujo de calor a través de un cuerpo de temperatura mas alta, hacia un cuerpo de menor temperatura.Mecanismos de transferencia de calor.
Conducción.-
Es la transmisión de calor entre dos cuerpos o partes en los que existe una diferencia de temperatura.
Radiación.-
Es la transmisión de energía mediada por ondas electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos.
La convección.- (Natural y Forzada)
Es estrictamente un medio de mover energía de un lugar a otro: es un transporte de energía. Ocurre debido a que un fluido en movimiento recoge energía de un cuerpo caliente y la entrega a un cuerpo mas frio.
Generadores de vapor SON UN CONJUNTO DE APARATOS Y EQUIPOS AUXILIARES QUE SE COMBINAN PARA LA PRODUCCION DE VAPOR PARA USOS INDUSTRIALES, CALEFACCION ó PRODUCIR ENERGIA MECANICA.
QUE APLICANDO EL CALOR DE UN COMBUSTIBLE SOLIDO,LIQUIDO ó GASEOSO, ó POR EL USO DE ELECTRICIDAD ó ENERGIA NUCLEAR, VAPORIZAN EL AGUA.
*HORNO.- ( DENTRO, ABAJO, ENFRENTE ) LUGAR DONDE SE PRODUCE LA COMBUSTION DEL COMBUSTIBLE, ELEVANDOSE CONSIDERABLEMENTE LA TEMPERATURA DE LOS GASES DE LA COMBUSTION.
* CALDERA.- LUGAR DONDE SE EFECTUA LA VAPORIZACION, EL OBJETO DE TODA CALDERA, ES HACER QUE LOS GASES DE COMBUSTION QUE VIENEN DEL HORNO, A UNA TEMPERATURA ELEVADA, COMUNIQUEN EL CALOR AL FLUIDO QUE ESTA DENTRO DE LA CALDERA.
LAS CALDERAS SE DIVIDEN EN:
• PIROTUBULARES ( TUBOS DE HUMO)
• ACUOTUBULARES ( TUBOS DE AGUA )
EN LAS PRIMERAS, LOS GASES DE COMBUSTION PASAN POR EL INTERIOR DE UNOS TUBOS Y EL AGUA PASA POR EL EXTERIOR DE LOS MISMOS.
EN LAS CALDERAS DE TUBOS DE AGUA, EL AGUA PASA POR EL INTERIOR DE LOS TUBOS Y LOS GASES DE COMBUSTION POR EL EXTERIOR.
POR LA POSICION DE LOS TUBOS SE CLASIFICAN EN:
Verticales, horizontales e inclinados.
POR LA FORMA DE LOS TUBOS SE CLASIFICAN EN:
Tubos rectos y tubos curvados ( 2, 3 o mas tambores)
POR LA NATURALEZA DEL SERVICIO QUE PRESTAN:
Fijas, portátiles, locomóviles y marinas
CALDERAS PIROTUBULARESSE USAN PARA CAPACIDADES Y PRESIONES REDUCIDAS.
Generador de vapor o caldera tipo vertical de tubos de humo
1.- horno.- donde se produce la combustión del combustible.2.- caldera, en donde esta el agua por vaporizar3.- tubos de humo. Por donde pasan los gases del horno. Y salen por la chimenea (4).El agua recibe calor directamente del combustible en el horno por radiación, y en los tubos de humo, de los gases de combustión por convección.5. Nivel de agua.- permite vigilar que haya suficiente agua en la caldera6. Manómetro para vigilar la presión de vapor en la caldera.
7. válvula de seguridad8. Tubo de salida del vapor hacia las maqs.9. Alimentación del agua a la caldera10. Lugar donde se introduce el combustible al horno11. Parrilla donde se coloca el comb. Solido12. Cámara de cenizas con su puerta de limp.(13)14. val.de purga15. Puertas para limp. De caldera
(1)
(2)
(3)
(11)
88
CALDERA DE TUBOS DE HUMO.- LLAMADA DE RETORNO, DE POSICION HORIZONTAL
CALDERAS ACUOTUBULARESSE USAN PARA CAPACIDADES Y PRESIONES MAYORES.
GENERADOR DE VAPOR CON DIVERSOS APARATOS Y PARTES PRINCIPALES
1.- HORNO TOTALMENTE ENFRIADO POR AGUA2.- PARRILLA DE AGUA3.- QUEMADOR DE CARBON PULVERIZADO4.- TOLVA DE CARBON PULVERIZADO5.- SALIDA DE LAS CENIZAS6.- CALDERA DE TUBOS DE AGUA7.- TAMBOR DE LA CALDERA 8.- SOBRECALENTADOR DE VAPOR9.- SALIDA DEL VAPOR SOBRECALENTADO A LAS TURBINAS10.- RECALENTADOR DE VAPOR11.- ENTRADA DEL VAPOR DE BAJA PRESION AL RECALENTADOR12.- SALIDA DEL VAPOR DE BAJA PRESION YA RECALENTADO A LAS TURBINAS13.- DUCTO DE LOS GASES DE COMBUSTION14.- ECONOMIZADOR15.- ENTRADA DE AGUA DE ALIMENTACION AL ECONOMIZADOR16.- PRECALENTADOR DE AIRE TUBULAR17.- VENTILADOR DE EXTRACCION DE LOS GASES18.- VENTILADOR DE INYECCION DEL AIRE19.- DUCTO DE AIRE PRECALENTADO20.- SALIDA DE CENIZAS21.- CHIMENEA22.- CONJUNTO DE MANOMETROS23.- INDICADOR DE NI VEL DE AGUA24.- CONTROL AUTOMATICO DEL EQUIPO
SUPERFICIE DE CALEFACCION.- ES LA SUPERFICIE DE METAL QUE ESTA EN CONTACTO AL MISMO TIEMPO CON LOS GASES CALIENTES Y CON EL AGUA O VAPOR HUMEDO. SU UNIDAD ES m o pies
CABALLOS CALDERA.- SE UTILIZA PARA DESIGNAR LA CAPACIDAD DE LAS CALDERAS. LA CAPACIDAD NOMINAL DE UNA CALDERA, SE DIVIDE ENTRE 10 LA SUPERFICIE DE CALEFACCION.
2 2
TAMBIEN : UNA CALDERA DE 10 PIES DE SUPERFICIE DE CALEFACCION O SEA APROXIMADAMENTE DE 1 m TIENE UNA CAPACIDAD DE 1 CABALLO CALDERA.
2
2
Caballo Caldera.- Se dice que una caldera tiene una capacidad de un caballo caldera, cuando es capaz de producir 15.65 Kg / hr. ( 34.5 lb / hr) de vapor saturado de 100 °C ( 212 °F),utilizando agua de alimentación de la misma temperatura.
Cuando esta cantidad de vapor se produce por cada m de superficie de calefacción (aproximadamente 10 pies ) se dice que la caldera esta trabajando al 100% de carga.
En tamaños pequeños ( calderas- compactas) la capacidad se expresa en caballos caldera (CC).
El termino caballo caldera es una denominación antigua pero se aplica todavía para designar la capacidad de calderas pequeñas (compactas) y tuvo se origen en el hecho de que una caldera al alimentar una maquina de vapor recíprocamente, esta desarrollaba aproximadamente 1 CC por cada 10 pies ( 1 m ) de superficie de calefacción de la caldera.
2
2
2 2
CAPACIDAD DE PRODUCCION DE VAPOR DE UNA CALDERA.- SE DICE QUE UNA CALDERA TRABAJA AL 100% DE SU CAPACIDAD NOMINAL, CUANDO PRODUCE POR CADA CABALLO CALDERA 34.5 LBS/HR ( 15.65 Kg/h). DE VAPOR SATURADO DE 14.7 PSI ( 1.033 Kg/cm ) , CON EL AGUA DE ALIMENTACION A 212 º F (100°C) ., EN ESTE CASO, EL UNICO CALOR QUE RECIBE EL VAPOR ES EL DE VAPORIZACION DEL AGUA A 212 º F ES DE 970 BTU / lb. ( De tablas de propiedades termodinámicas del vapor del agua) 34.5 * 970.3 = 33,500 BTU / hr.
1 CABALLO CALDERA = 34.5 X 970.3 = 33,500 BTU / hr. ( C.C. ) = S 10.0
C.C = S / 10C.C. = Caballo caldera ( a dimensional )S = Superficie de calefacción ( ft ); (m )
S = π x D x L x No. Tubos donde:
2 2
2
π = 3.14D = Diámetro del tuboL = Longitud de los tubos
PORCIENTO DE CARGA.
LAS CALDERAS MODERNAS PRODUCEN UNA CANTIDAD DE VAPOR SUPERIOR A 34.5 lb / h o´ 33,500 BTU / h. POR LO TANTO, SE LLAMA PORCIENTO DE CARGA DE UNA CALDERA A LA RELACION QUE TRASMITE POR HORA Y EL QUE DEBIA TRANSMITIR DE ACUERDO CON SU SUPERFICIE DE CALEFACCION A RAZON DE 33,500 BTU / h / caballo. o´ a RAZON de 8450 Kcal/hr/caballo por cada m ( 10 pies )
POR LO TANTO:
R = Q * 100 C.C. * 33,500
R = % DE CARGAQ = CALOR TRANSMITIDO AL VAPOR DE AGUA ( BTU / h o´ KCAL / h)
TAMBIEN : Q = 33,500 * CC*( R / 100 ) Q = 335 * C.C. * R Q = 33,500 * ( S / 10) * (R / 100) Q = 33.5 * S * R
2 2
Q = 8450 * CC*( R / 100 ) Q = 84.5 * C.C. * R
T
Q
Kcal/kg
100 200 300 400 500 600 700
100 Kcal/Kg
Calor latente
540 Kcal/kg
Calor sensible
100908070605040302010
(°C)
640 Kcal/Kg
La fig. muestra como un Kg de agua ( 1 lt) al cual se le va agregando calor, alcanza la temperatura de 100°C y adquiere una energía (cantidad de calor) de 100 Kcal/Kg. A partir de ese instante, no subirá mas la temperatura y todo el calor que cedamos al agua se utilizara únicamente en cambiar de estado(liquido o ´vapor), hasta que todo el litro de agua ( 1 Kg) se haya evaporado en su totalidad. Entonces el kg de vapor tendrá almacenada una energía de 640 kcal
Estas condiciones significan que el fluido absorberá una cantidad de calor igual a: Q = 15.65 Kg/h ( 640 – 100 ) = 15.65 x 540 = 8450 Kcal/hr
1 Kg de vapor
1 kg agua
T
Q
BTU/Lb
200 400 600 800 1000 1200 1400
180 BTU/Lb
Calor latenteCalor sensible
100
(°F)
1150.3 Btu/Lb
El calor sensible es el que se “siente”, el que percibe un termómetro ordinario, el calor latente no acusa una elevación de la temperatura del vapor, sea este húmedo o seco. Entalpia es un termino muy popular en el lenguaje técnico: es la cantidad de calor total que tiene la unidad de peso de un fluido, en su estado liquido o en su fase de vapor y se mide en Kcal/Kg o´ BTU/Lb. La entalpia se consigna en tablas de propiedades de los vapores.
Estas condiciones significan que el fluido absorberá una cantidad de calor igual a: Q = 34.5 Lb/hr ( 1150.3 – 180 ) = 34.5 x 970.3 = 33,475-5 BTU/hr
200
150
250
3250
212
Por lo tanto la capacidad de una caldera la podemos expresar en los siguientes términos. Kg Lbs de vapor equivalente hr hr
Kcal BTU del vapor equivalente hr hr o´ caballos calderaComercialmente se acostumbra expresar los términos de capacidad, según el tamaño relativo de las calderas y prácticamente encontramos dichas capacidades en los siguientes términos:a)Calderas pequeñas Kcal/h ; BTU/hb)Calderas en la pequeña y mediana industria. – Caballos calderac) Calderas grandes Kg /h ; Ton/h ; Lbs/hr de vapor producidoTodas estas capacidades son convertibles entre si tomando en cuenta la definición de caballo calderaAntiguamente y en forma muy convencional se definía la capacidad de una caldera según su superficie de calefacción sin tomar en cuenta la producción de vapor y se decía que por cada m (aprox. 10 pies )de su superficie de calefacción se tenia un caballo caldera. Esta forma de expresar la capacidad es totalmente obsoleta.
22
Tabla de factor de evaporación
EJERCICIO :
Una caldera produce vapor y tiene una superficie de calefacción de 4000 ft . Trabaja a 190 % de carga. Se desea conocer la cantidad de calor comunicado al fluido.
Q = 33.5 * S * R = 33.5 * 4000 * 190 = 25,460 , 000 BTU / h
2
Ejercicio :Una caldera tiene una superficie de calefacción d 2400 pies y trabaja a 150 por ciento de carga, calcular el calor que recibe el fluido.
Q = 2400 x 34.5 x 970.3 x 150 = 12´ 051,126 BTU / h 10 100
Q = 2400 * 33.5 * 150 = 12´060,000 BTU / h
Ejercicio:Una caldera tiene una superficie de calefacción de 1000 pies y trasmite al fluido 6´000,000 BTU / h. Calcular el Porciento de carga a que trabaja la caldera:
R = 6´000,000 x 100 = 179% 1000 x 33,500 10
2
2
ECONOMIZADOR.-
1.- SE INCREMENTA LA EFICIENCIA TERMICA DE LA CALDERA LO QUE REDUNDA EN UN AHORRO DE COMBUSTIBLE POR KG. DE VAPOR GENERADO.
2.- SE REDUCE LA EMISION DE GASES CALIENTES A LA ATMOSFERA.
3.- SE ALIMENTA AGUA CALIENTE A LA CALDERA REDUCIENDO EL SHOCK TERMICO
4.- SE LIBERA CAPACIDAD CALDERA PARA PRODUCIR VAPOR ADICIONAL PARA PROCESO
5.- EN INSTALACIONES DE CALDERAS DE TUBOS DE HUMO EL PROMEDIO DE AHORRO DE COMBUSTIBLE VARIA DE 2 A 4%.
ES BASICAMENTE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR QUE SE COLOCA EN LA CHIMENEA DE UNA CALDERA PARA TRANSFERIR EL CALOR CONTENIDO EN LOS GASES DE COMBUSTION AL AGUA DE ALIMENTACION A LA CALDERA, ESTO OFRECE LAS SIGUIENTES VENTAJAS:
El agua de alimentación es calentada en el economizador hasta muy cerca de la temperatura de ebullición.
El agua de alimentación pasa primero por el economizador y luego entra a la caldera
Los gases de combustión del hogar pasan primero por la caldera y el sobrecalentador y después por el economizador
ECONOMIZADOR.-
EL ECONOMIZADOR
Con objeto de aprovechar mejor el calor de los gases de combustión, en los generadores de vapor de cierta capacidad, se instala el economizador.
El economizador es un aparto que calienta el agua de alimentación de la caldera con los gases de combustión que salen de la caldera. Su posición en el generador de vapor se indicada en la fig. anterior.
El agua de alimentación de la caldera pasa primero por el economizador y luego entra a la caldera.
El agua de alimentación es calentada en el economizador hasta una temperatura muy cercana a la de ebullición.( la correspondiente a la presión del agua de la caldera).
El proceso en los tres aparatos es ISOBARICO, pues todos están a la presión de la caldera
PRECALENTADOR DE AIRE
ES UN APARATO QUE CALIENTA EL AIRE DE LA COMBUSTION, ENTRA AL HORNO, POR MEDIO DE LOS GASES DE COMBUSTION QUE SALEN DEL ECONOMIZADOR O DE LA CALDERA.
SE EMPLEA EN GENERADORES DE GRAN CAPACIDAD, ADEMAS DEL ECONOMIZADOR. EN GV DE MEDIANA CAPACIDAD SE USA A VECES EN LUGAR DEL ECONOMIZADOR
EL PRECALENTADOR DE AIRE HACE QUE LOS GASES QUE SE PIERDEN POR LA CHIMENEA SALGAN A MENOR TEMPERATURA Y EL CALOR DE ESE MODO SE RECUPERA ES LLEVADO AL HORNO DEL GV. DONDE SE APROVECHA.
LOS RECALENTADORES DE VAPOR SON APARATOS
QUE SIRVEN PARA RECALENTAR EL VAPOR QUE YA HA
TRABAJADO EN UNA TURBINA. ESTE APARATO SE
COLOCA POR LO GENERAL DESPUES DE LA CALDERA.
CALOR COMUNICADO AL FLUIDO EN UN GENERADOR
P
V
b 1 v.. .S ECONOMIZADOR CALDERA SOBRECALENTADOR
VAPORIZACION
Liq. saturado
Vapor saturado
Qe Qc Qs
Qv = W ( Hs – Hb )
HsHvH1HbV´
Qe = W (H1-Hb)
Qc = W (Hv – H1)
Qs = W (Hs – Hv )
PROCESO ISOBARICO
b = Alimentación del agua a la calderab1 = Calentamiento del agua dentro de caldera
1v = Vaporización en la calderaVS = Sobrecalentamiento en el sobrecalentador
w
T
ɸ
.. . ..b
S
VV´1
PROCESO QUE SIGUE EL FLUIDO EN UN GENERADOR DE VAPOR
V = Vapor saturado
Vs = Vapor sobrecalentado
W = Peso del vapor producido = Kg /h o´ lb / h
Q = Calor comunicado x unidad de tiempo
Hs = Entalpia del vapor al salir del sobrecalentador.
Hb = Entalpia del agua de alimentación al entrar a la caldera
Hv´ = Entalpia del vapor al salir de la caldera (generalmente calidad de 98 o´99 % seco).
POR LO TANTO EL CALOR COMUNICADO AL FLUIDO :
EN EL ECONOMIZADOR Qe = W ( H1 – Hb )
1
1
EN LA CALDERA Qc = W (Hv - H1 )
EN EL SOBRECALENTADOR Qs = W ( Hs – Hv )
EL CALOR TOTAL COMUNICADO AL VAPOR :
Qv = Qe + Qc + Qs = W ( Hs – Hb ) = BTU /h o´Kcal /h
Qv = W ( Hs – Hb ) Si hay sobrecalentamiento Qv = W ( Hv´ – Hb ) Sin sobrecalentador
Qv = W ( Hs – Hb ) Sin economizador
Hb = T agua ºF – 32 = BTU/Lb Hb = T agua º C – 0 = Kcal / Kg
Aliment.
Entalpía.- Es la cantidad de calor total que tiene la unidad de peso de un fluido, en su estado liquido ó en su fase de vapor. Kcal/kg ó BTU / Lbs . Se consignan en tablas de propiedades termodinámicas de los vapores.
Rendimiento del generador de vapor: η = Qv / Qh :. Qh ˃ Qvg
Problema 1.- En una caldera sin sobrecalentador el agua de alimentación entra a 100°F . La presión es de 160 PSI y el vapor sale con 98 por ciento de calidad. Calcúlese la cantidad de calor que recibe el fluido por hora si el agua de alimentación es de 5500 lbs / hr.
Problema 2.- En una caldera con sobrecalentador el agua de alimentación entra a 100°F. la presión es de 160 PSI y el vapor sale a 500°F. Calcúlese la cantidad de calor que recibe el fluido por hora si el agua de alimentación es 5500 lbs/hr
Problema 3.- a) Que capacidad, en caballos caldera.b) Superficie de calefacción del problema 1, si trabaja a 175 por ciento de carga.
Problema 4.-a) Que capacidad, en caballos caldera si se trabaja al 150 porciento de carga, para el problema 2.
CALOR COMUNICADO AL FLUIDO EN UN GENERADOR DE VAPOR
Qe Economizad
or
Qc Caldera
Sobrecalentador
Precalentador de aire HORNO
W WVAPOR SATURADO
AGUA CALIENTE
T1 H1
TbHb
AGUA CALIENTE
COMBUSTION
CcAIRE
ATMOSFERICO
CHIMENEA
GASES A LA ATMOSFERA
( wg ) GASES DE COMBUSTION
AGUA VAPORSOBRECALENTADO
Qv
Hs Ts
Hv Tsat
Wg PCSPCI
Qh Th
Qh= Calor producido en el horno BTU / h ó Kcal / h.
Qh= PCS X Cc
Cc= CONSUMO DE COMBUSTIBLE Kg / h ó Lb / h
GASES DE COMBUSTIONPv Pv
ηg = Rendimiento térmico del generador
ηg = Calor aprovechadoCalor suministrado=
W ( Hs – Hb )
PCS * Cc
Qv
Qh
Qv = Qe + Qc + Qs = W ( Hs – Hb ) con sobrecalentador
Qv = W ( Hv – Hb ) sin sobrecalentador
=
Qv= CALOR APROVECHADO
Qs
RENDIMIENTO DE UN GENERADOR
ηg = Qv / ( PCS * C.c )ηg = W ( Hb – Hb ) / PCS* C.c.ηg = 335 * CC * R / PCS * C.cηg = 33.5 * S * R / PCS * C.c
CALOR LIBERADO EN EL HORNOEl calor que recibe el fluido proviene del horno, y se debe a la oxidación del combustible, como el Generador de vapor tiene perdidas, el combustible tiene que producir o Liberar una cantidad de calor Qh mayor
que Qv. ηg = Qv Donde: Qv = calor total recibido por el fluido Qh en el generador Qh = Calor que libera el combustible = Kcal / hr o´BTU / hr
ηg = Rendimiento del generador de vapor
:. Qh ˃ Qv
Calculo del consumo de combustible en un generador de vapor
W = Cantidad de vapor producido por unidad de tiempo Hs = Entalpia del vapor al salir del generador Hb = Entalpia del liquido al entrar al GV
Si la producción de vapor del GV en porcientos de carga de la caldera entonces: C.c = (C.C.) R * 33,500
100 ηg ( P.C.S)
C.c. = QhP.C.S
C.c. = W ( Hs- Hb )
ηg P.C.S
Donde: P.C.S = Poder Calorífico del Combustible Kcal / Kg comb. o´ BTU / Lb comb. C.c. = Consumo de Combustible = Kg / hr. o´ Lb / hr.
Problema: En un generador de vapor el agua entra a 180°F. y sale vapor de 360 lbs /pulg y 600 °F. de temperatura. El generador produce 7,000 lbs de vapor por hora y el rendimiento del mismo es de 75%,consume petróleo de 18,800 BTU/lb . Calcular :a)EL calor liberado en el Hornob) El consumo de combustible por horaDatos: P = 360 psi ; Hb = 180°F – 32°F = 148 BTU/lb ; Hv = 1,204.1 Ts= 600°F; Hs= 1,310.1 BTU/lb ; ηg = 75% ; PCS = 18,800 BTU/lb
Solucion:a)Qc = W ( Hv- Hb ) = 7,000 ( 1,204.1 – 148 ) = 7000 (1056.1) = 7´392,700 BTU/hb)Qv = W ( Hs- Hb) = 7000 ( 1,310.1 – 148) = 8´134,700 BTU/h
C.c = Qv / ηg PCS = 8´134,700 / .75 x 18,800 = 576.93 Lb/ h
Qh = Qv / ηg = 8´134,700 /.75 = 10´846,266.67 BTU/h
2
Petróleo
Problema : Una caldera trabaja a 175 por ciento de carga, tiene 2430
pies de superficie de calefacción y consume petróleo de 18800 BTU/lb., con un rendimiento de 70%. Calcular el consumo de combustible.Datos:R = 175% ; S = 2430 ft , PCS = 18800 Btu/lb ; ηg = 70%; C.c. = ?
ηg = 33.5 x S x R PCS x C.c.
C.c. = 33.5 x S x R = 33.5 x 2430 x 175 PCS x ηg 18,800 x 0.70
= 14´245,875 = 1082.51 Lb/h 13,160
2
2
PODER CALORIFICO DE UN COMBUSTIBLE P.C.C.
PODER DE UN COMBUSTIBLE ES LA CANTIDAD DE CALOR QUE PRODUCE LA UNIDAD DE PESO DEL COMBUSTIBLE AL QUEMARSE 1 kcal / Kg = 1.8 Btu / lb
CALCULO DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN UN G.V. C.c = Qh
( P.C.S. )Q = CALOR LIBERADO EN EL HORNO K CAL / Hr. Ó BTU / Hr.
h
C.c = CONSUMO DEL COMBUSTIBLE Kg / Hr ó Lb / Hr
PODER CALORIFICO SUPERIOR ( P.C.S.) DE UN COMBUSTIBLE
CANTIDAD DE CALOR QUE SE OBTIENE QUEMANDO UNA CANTIDAD DE PESO DEL COMBUSTIBLE Y ENFRIANDO LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTION, HASTA LA TEMPERATURA INICIAL DEL COMBUSTIBLE.
P.C.S. = 14,500 (% C ) + 62,000 ( % H - % O ) + 4,000 % S = BTU / Lb comb.22
ó P.C.S = 8,000 ( % ) + 34,500 ( % H - % O ) + 2200 ( % S ) = K cal / Kg comb. 8
8
22
PODER CALORIFICO INFERIOR ( P.C.I. )
ES EL PODER CALORIFICO DISMINUIDO DEL CALOR DE VAPORIZACION DE AGUA CONTENIDA O PRODUCIDA POR EL COMBUSTIBLE.
P.C.I = P.C.S. - λ A
CANTIDAD DE CALOR PARA EVAPORAR HUMEDAD TOTAL DEL COMBUSTIBLE
λ= Calor latente de vaporización del agua 1080 BTU ó 600 Kcal Lb H O Kg agua
A = Humedad Total = Kg ó Lb H O Kg ó Lb combA = h + 9 (% H )
2
2 Wg = A + ( 1 – z ) = Kg ó Lb gases C Kg ó Lb comb
2
Z = contenido de cenizas
Wg = Peso de los gases de la combustión
HORNO % PESO DE LOS ELEMENTOS QUIMICOS
Aq = Aire quimicoAq = 11.5 % C + 34.5 % H + 4.31 ( % S ) - 4.31 % O
ANALISIS DEL AIRE QUIMICO
2 2
Kg ó Lb aireKg ó Lb comb.=
Ap = Aire práctico ó real = ε x Aq ε = Coeficiente total de aire empleado
Ap = 0.8 Aq
30% exceso ε = 1.3
20% deficit ε = 0.8A p = 1.3 Aq
HORNOAIRE
PRODUCTOS DE LA COMBUSTION
Wg = Kg ó Lb gas Kg ó Lb comb
A / C
COMB
A / C + 1 = Wg
A /C = RELACIóN / COMB = Kg ó Lb aire Kg ó comb.
ENTRADAS = SALIDAS
1 Kg ó Lb balance
C + O CO 2 2
2
2
2
2
2
1 mol + 1 mol 1 mol
AIRE NECESARIO PARA LA COMBUSTION
12 Kg + 32 Kg 44 Kg CO 1 Kg + 2.66 Kg 3.66 Kg CO
AIREN
O
% Vol % Peso
79 76.8
21 23.21 Kg aire = 0.768 Kg N 0.232 Kg O
2
2
2
2
2
2
2
Moles N 3.76 79 O 21
= = Aq 2.66 11.5 Kg aire 0.232 Kg C
==c
Kg O
Kg aireKg O
Kg C
H + ½ O H O
2 Kg + 16 Kg O 18 Kg H O
1 mol + ½ mol O 1 mol H O
2
2
22
1 Kg + 8 Kg O 9 Kg H O2
22
2
Aq = 8 34.5 Kg ó Lb aire 0.232 Kg ó Lb H.=
S + O SO
1 mol + 1 mol 1 mol SO
22
2
32 Kg + 32 Kg O 64 Kg SO
1 Kg + 1 Kg O 2 Kg SO2
2H Aq 1 4.31 Kg ó Lb aire 0.232
= =Kg ó Lb S
TEMPERATURA DEL HORNO
Q = W Cp TDONDE: Q = PCI W = Wg Cp = Cg :. ΔT = T horno – T ambienteEntonces : PCI = Wg * Cg * ( Th – Tamb ).:. Th = (PCI / Wg * Cg ) + Tamb Ec. Teórica
Δ
Cg = calor especifico de los gases de combustión
TEORICA
La ceniza del combustible lleva consigo algo de combustible sin quemar.
Parte del calor liberado en el horno se trasmite a las paredes y se pierde por radiación.El calor liberado en el horno pasa directamente a la superficie metálica de la caldera siendo aprovechado por el agua.
TEMPERATURA REAL DEL HORNO
Th
=
= ( P.C.I. ) ( 1 – Pz ) + A / C*Ca ( tA - tamb )
Wg Cg
( 1 – Pr) ( 1 – β ) + t amb.
ºF ó º C
Pr = Perdidas por radiación ( 0 – 6% )
Pz = Perdida por combustible no quemado
β = factor de diseño de horno depende de que tan expuesto este el horno a los tubos de agua de la caldera.
β = 15 % ó 0.15 enfrente de la caldera
β = 22% ó 0.22 abajo de la caldera
β = 27% ó 0.27 dentro de la caldera
Th
Ca = calor especifico del aire = 0.24Cg = calor especifico de los gases = 0.27
ta = Temperatura del aire en el horno.
VOLUMEN DEL HORNO = Qh ft o´ m QLDonde :
Qh = Calor en el horno BTU / Hora QL = Liberación de calor permitido BTU / Pie Hora ( se da como dato en problemas)
3 3
3
DISTRIBUCION DE PERDIDAS DE CALOR EN UN GENERADOR
1.Perdidas por la chimenea2.Perdidas por el combustible no quemado3.Perdidas por combustión incompleta4.Perdidas por radiación y convección natural5.Perdidas varias
a) por gases secos ( G ) BTU / lb combustible 1.- Perdidas por la chimenea b) Por vapor de agua en los gases de la chimenea c) Para evaporar la humedad del aire
a) G = calor perdido por gases secos BTU / lb combustible G = Wg/s * Cg * ( Tch – T amb )
b) WA = Calor perdido por vapor de agua WA = A λ + 0.48 ( Tch – Tamb ) Donde: A = humedad total = h + 9% H2 Tch = temperatura de la chimenea = Tch = Tbase x 0.8 cp = calor especifico del vapor de agua = 0.48
c) a = calor perdido para eliminar humedad del aire
a = A/C * Wa * 0.48 ( Tch – Tamb ) Donde : Wa = Humedad del aire = lb o´ Kg agua / lb o´ Kg aire
( dato)
Z = z * C´ * K Donde: Z = calor perdido por combustible no quemado z = ceniza en el combustible C´= carbón en la ceniza K = Poder calorífico carbón = 14,500 BTU / lb
3.- Perdidas por combustión incompleta
I = %CO * C * K´ %CO + %CO2
Donde: % CO = Obtenido del análisis ORSAT %CO + %CO2
C = Carbón quemado K´= Diferencia de poder calorífico = 10,160 BTU / lb ó 5650 Kcal/Kg
4.- Perdidas por radiación. Pr = Perdidas por radiación ( BTU / lb comb ) Pr = 3 al 7% del PCS
5.- Perdidas varias
V = Perdidas varias V = 1% PCS ( BTU / lb comb ) :. PERDIDAS TOTALES ( P )
P = G + WA + a + Z + I + Pr + V :. ηg = 1 – P * 100
PCS
Problema:Se desea producir 60,000 lb/h vapor, en las siguientes condiciones:•P = 300 lb/pulg y T = 700 °F• Se quema un combustible cuyo análisis en % peso es:• C= 83%, S= 1.0%,H2 = 5.0%,O2 = 0.5%, Z = 7.0%, h = 2.5%,N2 = 1.0%• El agua se alimenta a la caldera a 82°F.• Se tienen perdidas por radiacion Pr = 4%• Se tienen perdidas por combustible no quemado Pz = 3%• El factor de diseño del horno ß= 0.27• Tamb. = 70 °F• QL = 30,000 BTU/ Pie hr ( Liberacion de calor permitido)• La caldera trabaja a 300% de carga y produce vapor con una calidad de X= 95%
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