Apuntes 2 G. Vapor - Copia

FACTOR DE EVAPORACION Factor de evaporación es la relación que existe entre la evaporación nominal, desde y a 100 °C ( desde y a 212 °F) y la evaporación real bajo las condiciones efectivas de trabajo de la caldera.(PRESION Y TEMPERATURA) Factor de Evaporación = Evaporación Nominal Evaporación Real Un caballo caldera según A.S.M.E es la evaporación de 15.65 Kg /hr. (34.5 Lbs / h) Partiendo de agua a 100 °C (212°F) hasta vapor de 100 °C (212°F) Ejemplo: Si se requiere 9100 Kg/hr ( 20,000 Lbs/hr ) efectivos de vapor, trabajando a 9.14 Kg/cm2 ( 130 Lbs/pulg ) de presión, y alimentar a la caldera con agua de 60°C (140°F) su factor de evaporación (según tabla) será F = 1.118 . Por lo tanto se va a requerir de una caldera con capacidad nominal de :

9100 Kg/hr x 1.118 = 10,174 Kg/hr 20,000 Lbs/hr x 1.118 = 22,360 Lbs/hr O sea también :

10,174 Kg/hr 15.65 Kg/hr 22,360 Lbs/hr 34.5 Lbs/hr

= 650 caballos caldera = 650 caballos caldera

LA EVAPORACION ES LA MEDIDA DE LA CAPACIDAD DE UNA CALDERA Evaporación equivalente (nominal).- significa que la cantidad en Kg (lbs) que producirá que reciba agua a ( 100°C o´ 212°F) y la convierta en vapor de 100° o´ 212 °F) (o´ sea, a una presión absoluta de 1.033 kg/cm 2 ,14.696 Lbs/ pulg2 ) Evaporación Real ( de operación ), para referirnos a la evaporación efectiva, bajo condiciones de presión manométrica de acuerdo a la altitud del lugar de operación de la caldera y con agua de alimentación con una temperatura efectiva en el momento de estar en operación. Para transferir las capacidades reales a las equivalentes, que son las que proporcionan los fabricantes, interviene el concepto Factor de Evaporación. que es la relación que existe entre la evaporación equivalente y la evaporación real, bajo cualquier condición de operación Deberá tenerse presente que las capacidades que se mencionan con capacidades máximas, es decir la máxima dotación de combustibles que puede admitir una caldera

Si llamamos:

Entonces :

Fe = Factor de evaporación WE = Evaporación equivalente Wr = Evaporacion Real Fe =

WE ( kg/h desde y a 100°C) Wr ( Kg/h reales)

Fe =

WE ( Lbs / h desde y a 212°F) Wr ( Lbs / h reales)

Ejemplo : Una caldera tiene una capacidad de 950 Kg / h, desde y a 100 °C 2 pero en la practica operara a una presión manométrica de 9.14 Kg/cm manométricos y con agua de alimentación de 60 °C El factor de evaporación ( ver tablas), es de 1.118 la evaporación real será: Wr = WE = Fe

950 = 850 Kg 1.118 h

Ejemplo: Si una caldera tiene una capacidad de 2070 Lbs/h desde y a 212 °F pero en la practica operara a una presión manométrica de 110 psi con agua de alimentación de 140°F. El factor de evaporación (ver tablas ) es de 1.115 Wr = WE = 2070 = 1856 Lbs Fe 1.115 h Si dividimos entre 15.65 Kg/h o´ 34.5 Lbs/h nos dara el numero de caballos correspondiente. Ejem:

WE = 950 (kg/h) :. CC = 950 = 60 15.65 WE = 2070 Lbs/h :. CC = 2070 = 60 34.5

Ejemplo: dada una necesidad total de 1080000 Kcal/h (4300000 Btu/h) en una planta industrial, la capacidad equivalente en caballos caldera necesaria para satisfacer dicha necesidad total será: CC = 1080000 Kcal/h 8450 Kcal/h

= 128

CC = 4300000 BTU/h 33500 BTU/h

= 128

Tabla de factor de evaporación

EJERCICIO : Una caldera produce vapor y tiene una superficie de calefacción de 4000 ft2 . 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

Ejercicio : Una caldera tiene una superficie de calefacción d 2400 pies2 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: 2 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

Problema .- Que superficie de calefacción necesitamos para producir 30000 Lbs de vapor / h, a las condiciones Std., pudiendo trabajar la caldera a 200% de carga. Problema.- Que superficie de calefacción necesita una caldera capaz de trabajar a 250 por ciento de carga para transmitir 10´000,000 BTU / h. Problema:- Una caldera de tubos de agua rectos, tiene 14 hileras de tubos de alto por 20 hileras a lo ancho y de 18 pies de largo. El diámetro exterior de los mismos es de 4 pulg. Y puede trabajar a 175 por ciento de carga. Calcular: a) Superficie de calefacción b) Su capacidad en caballos caldera a) Cantidad de calor que transmite x hora

Los gases de combustión del hogar pasan primero por la caldera y el sobrecalentador y después por el economizador

El agua de alimentación pasa primero por el economizador y luego entra a la caldera El agua de alimentación es calentada en el economizador hasta muy cerca de la temperatura de ebullición.

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.

CALOR COMUNICADO AL FLUIDO EN UN GENERADOR P

PROCESO ISOBARICO Vapor saturado

.

.

b

1

Hb H1 ECONOMIZADOR Qe

Liq. saturado VAPORIZACION V´

CALDERA

.

w

.

v

S

Hv

Hs

SOBRECALENTADOR

Qc = W (Hv – H1)

Qc

Qe = W (H1-Hb)

Qs Qs = W (Hs – Hv )

Qv = W ( Hs – Hb )

b = Alimentación del agua a la caldera b1 = Calentamiento del agua dentro de caldera 1v = Vaporización en la caldera VS = Sobrecalentamiento en el sobrecalentador

V

PROCESO QUE SIGUE EL FLUIDO EN UN GENERADOR DE VAPOR

T S

.

1

b

.

. .

V´

V

.

ɸ

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. 1 Hb = Entalpia del agua de alimentación al entrar a la caldera

1 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 )

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 = Hb = T agua º C – 0 = Aliment.

BTU/Lb Kcal / Kg

Rendimiento del generador de vapor: ηg = Qv / Qh :. Qh ˃ Qv

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.

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 Pv

W AGUA

Tb Hb

Qe Economizad or

AGUA CALIENTE

Pv

GASES DE COMBUSTION

Qc

W

VAPOR Qs Sobrecalentad SOBRE CALENQv or Hv TADO Hs Tsat Ts

VAPOR SATURADO

Caldera T1 H1 ( wg )

Precalentador de aire

AIRE ATMOSFERICO

AGUA CALIENTE COMBUSTION

Cc

Wg

GASES DE COMBUSTION PCS Qh= Calor producido en el horno BTU / h ó Kcal / h. PCI

HORNO Qh

Th

Qh= PCS X Cc Qv= CALOR APROVECHADO Cc= CONSUMO DE COMBUSTIBLE

ηg = Rendimiento

GASES A LA ATMOSFERA

ηg = Calor aprovechado CHIMENEA

Calor suministrado =

Qv Qh

Kg / h ó Lb / h

térmico del generador

=

W ( Hs – Hb ) PCS * Cc

Qv = Qe + Qc + Qs = W ( Hs – Hb ) con sobrecalentador Qv = W ( Hv – Hb ) sin sobrecalentador

RENDIMIENTO DE UN GENERADOR ηg = Qv / ( PCS * C.c ) ηg = W ( Hb – Hb ) / PCS* C.c. ηg = 335 * CC * R / PCS * C.c ηg = 33.5 * S * R / PCS * C.c CALOR LIBERADO EN EL HORNO El 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 :. Qh ˃ Qv

= Rendimiento del generador de vapor

Calculo del consumo de combustible en un generador de vapor C.c. =

Qh P.C.S

W ( Hs- Hb ) C.c. = 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.

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)

Problema: En un generador de vapor el agua entra a 180°F. y sale vapor de 360 lbs /pulg2 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 Horno b) El consumo de combustible por hora Datos: 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 Petróleo Solucion: a)Qc = W ( Hv- Hb ) = 7,000 ( 1,204.1 – 148 ) = 7000 (1056.1) = 7´392,700 BTU/h b)Qv = W ( Hs- Hb) = 7000 ( 1,301.1 – 148) = 8´071,000 BTU/h

C.c = Qv / ηg PCS = 8´071,000 / .75 x 18,800 = 572.411 Lb/ h Qh = Qv / ηg = 8´071,000 /.75 = 10´761,333 BTU/h

Problema : Una caldera trabaja a 175 por ciento de carga, tiene 2430 pies 2 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 ft2 , 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 PCS x ηg = 14´245,875 13,160

= 33.5 x 2430 x 175 18,800 x 0.70 = 1082.51 Lb/h