Ejercicios 2o , Inckuye Calculo De Diametro Y Altura De Chimenea G.v., 2012.pptx

Problema : Una empresa requiere de un generador de vapor que produzca 35,000 lb de vapor / h, a una presión absoluta de 400 lb / in y 650°F entrando el agua de alimentación a la caldera a 80°F. la presión atmosférica es de 720 mm Hg. En el horno del generador se quema un combustible de composición C15.5 H33.8. Los gases de combustión tienen la composición siguiente: CO2 = 12.5%; O2 = 0.3%, CO = 3.0% , H2 = 1.5%; N2 = 82.7%. La humedad del aire es de 0.5 lb agua /lb aire. El horno se encuentra ubicado debajo de la caldera. Se tienen perdidas por combustible no 3 quemado de 3% y perdidas por radiación de 5%. El aire entra al horno a 200°F. la liberación de calor permitido es de 30.000 BTU / h pie . La temperatura de los gases de combustión en la chimenea es de 500°F. La temperatura ambiente es de 80°F. Se tienen perdidas de tiro en el horno de 0.3 pulg. De agua , en la caldera de 0.4 pulgadas de agua, en el sobrecalentador de 0.22 pulgadas de agua, en los ductos a la chimenea de 0.02 pulgadas de agua. La velocidad de los gases en la chimenea es de 4 pies/seg. Calcular : 1.- Calor comunicado al vapor en la caldera, sobrecalentador y total 2.- Superficie de calefacción y caballos caldera si R = 200%

4.- El rendimiento térmico del generador 5.- El consumo de combustible por hora 6.- gasto volumen del aire empleado en pie3 / h 3 7.- gasto volumen de los gases de combustión en pie / h 8.- El diámetro y la altura de la chimenea

Solución : DATOS

Hs= 1335.2 BTU/lb ; Hv = 1204.5 BTU / lb ; Hb = 80 – 32 = 48 BTU /h ; ß = 22%

1.- Cálculos del calor comunicado al vapor: en la caldera, sobrecalentador , y total. Qc = W ( Hv – Hb ) =35,000 (1204.5 – 48) = 40´477,500 BTU /h Qs = W (Hs – Hv) = 35,000 (1335.2 – 1204.5) = 4´574,500 BTU/h Qv = Qc + Qs = 40´477,500 + 4´574,500 = 45´052,000 BTU / h Qv = W (Hs - Hb) = 35,000 (1335.2 – 48) = 45´052,000 BTU /h

Calculo de la superficie de Calefacción y Caballos caldera Qc = 33.5 * S * R

:. S =

Qc 33.5 * R

= 40´477,500 = 40´477,500 33.5 * 200 6700 2

S = 6041.4 ft CC =

S 10

=

6041.4 = 604.14 10

Calculo del PCS , PCI y % de Carbono e Hidrogeno. PM C15.5 H33.8 = 219.8 % C = 12 x 15.5 x 100 = 84.622 219.8 % H = 1 x 33.8 219.8

x 100

= 15.378

Cálculos de PCS , PCI, Ap,Wg, y Rg PCS = 14,500C + 62,000 ( H2 – O2 ) + 4000 S 8 PCS = 14,500 ( 0.84622) + 62,000 ( 0.15378) = 12,270.19 + 9534.36 PCS = 21,804.55 BTU / lb comb. PCI = PCS – λA = 21,804.55 – 1,494.74 = 20,309.81 BTU / lb comb. A = h + 9 (%H2) = 9 ( 0.15378) = 1.38402 lb agua/ lb comb. λA = 1080 * 1.38402 = 1,494.7416 BTU/ lb comb. Aq = 11.5 C + 34.5 H2 + 4.31 S – 4.31 O2 Aq = 11.5 ( 0.84622) + 34.5 (0.15378) = 9.73153 + 5.30541 Aq = 15.03694 lb aire / lb comb Ap = ε x Aq = 1.0 x 15.03694 = 15.03694 lb aire / lb combustible

Wg = Ap + ( 1- z ) = 15.03694 + ( 1-0 ) = 16.03694 lb gases / lb comb. P = 720 / 760 x 14.7 x 144 Calculo del PMg de los gases de comb. P = 2005.389 lb / pie2 Ta= 80+460=540 ; Tg = 500+460= 960°R CO2 = 0.125 * 44 = 5.5 Rg = 1545 = 52.157 pie / °R CO = 0.03 * 28 = 0.84 29.622 O2 = 0.003 * 32 = 0. 096 Va = Wa x Ra x Ta = 15.03694 x53.5 x 540 H2 = 0.015 * 2 = 0.03 P 2005.389 N2 = 0.827 * 28 = 23.156 Vg = Wg xRg xTg = 16.0369x52.157 x 960 PMg = 29.622 P 2005.389 Va = 216.62 pie3 de aire / lb comb Vg = 404.41 pie3 de gases / lb comb Cálculos de la temperatura y el Volumen del Horno Th = PCI (1-Pz) + Ap Ca ( TA – Tamb ) ( 1- Pr ) (1- ß ) + Tamb Wg Cg Th = 20309.809 ( 1- 0.03) + 15.036 x 0.24 ( 200 – 80 ) ( 1- 0.05) (1- 0.22) + 80 16.03694 x 0.27 Th =

20133.55 (0.95) ( 0.78) + 80 = 3,525.5 °F 4.33

Vh = Qh = C.c. x PCS = 3087.99 x 21,804.55 = 2244.40 ft 3 QL 30000 30000 Cálculos del rendimiento térmico del generador P = G + WA + a + Z + I + V G = Wgs Cg ( Tch . Tamb ) Wgs = Ap + ( 1-z-A ) = 15.03694 + ( 1 - 1.38402 ) = 14.65292 lb gases secos lb combustible G = 14.65292 x 0.27 ( 500 – 80 ) = 1661.641 BTU / lb combustible WA = A λ + 0.48 ( 500 – 80 )

= 1.38402 1080 + 0.48 ( 420 )

=1773.76

WA = 1773.76 BTU / lb comb.

a = Wa x Ap x 0.48 ( Tch – Tamb. ) = 0.05 x 15.03694 x 0.48 x 420 a = 151.57 BTU / lb comb.

Z = Pz x PCS = 0.03 x 21804.55 = 654.1365 BTU / lb comb I =

CO C K´ = 3.0 CO + CO2 3.0 + 12.5

x 0.84622 x 10160 = 1664.050 BTU lb comb

R = Pr PCS = 0.05 x 21804.55 = 1090.2275 BTU / lb comb V = Pv PCS = 0.01 x 21804.55 = 218.0455 BTU / lb comb P =1661.641 +1773.76 +151.57 +654.1365 +1664.050 +1090.2275 + 218.0455 P = 7213.4305 BTU / lb comb.

ηg = 1 - P PCS

x 100 =

1 - 7213.4305 21804.55

x 100 = 66.91%

Calculo de consumo de combustible por hora C.c. = W ( Hs – Hb) ηg PCS C.c. =

45´052,000 = 3087.99 lb combustible / h 0.6691 x 21,804.55 3

Va/h = C.c. x Va = 3087.99 x 216.62 = 668,920.39 pie de aire / h 3

Vg/h = C.c x Vg = 3087.99 x 400.41 = 1´236,462.075 pie de gases de combustión / h

Vg/h = C.c. x Vg = 3087.99 x 404.41 = 1´248,814 ft³ gases de comb. / h Vg/h = Area x Velocidad Vg/h = п Dch² x V 4 Dch =

1´248,814 0.785 x 4 x 3600

H = P

=

PT x 5.2 1 1 Ra Ta Rg Tg

110.47 pies²

= 10.51 pies

1.034 x 5.2

= 2005.38

1 53.5 x 540

-

1 52. 15 x 960

H =

5.3768 = 5.3768 2005.38 1 1 2005.38 (0.0000326223 ) 28890 50563.2 Perdidas de tiro H= 5.3768 = 82.18 pies PT = 0.3 + 0.4 + 0.22 + 0.02 = 0.06542 0.94 PT = 0.94 x 1.1 = 1.034 lb/pie²

Problema :

La caldera de un generador de vapor es alimentada con agua a una temperatura de 75°F, produce vapor de 120 psia y 500 °F- El calor total aprovechado por el vapor es de 39´450,250 BTU / h , la caldera trabaja a 200% de carga. En el horno del generador se quema un combustible de composición en porcentaje de peso es igual a C = 83.5% ; H2 = 12.5 %; S = 0.45%; N2 = 1.75%; O2 = 1.80%; para la combustión se emplea 20% de exceso de aire. La temperatura ambiente es de 75°F, se tiene perdidas por radiación de 3.75% y por combustible no quemado de 2.0%, el horno esta situado debajo de la caldera. La temperatura de los gases de combustión en la base de la 3 chimenea es de 510°F. La humedad del aire es de 0.025 Lb de agua / Lb de aire. La liberación de calor permitida es de 31,100 BTU /h ft³. Se tienen perdidas de tiro en el horno de 0.035 pulg. Agua, en la caldera de 0.45 pulg. Agua, en el sobrecalentador de 0.23 pulg. De agua, en los ductos a la chimenea de 0.025 pulg. Agua. La velocidad de los gases en la chimenea es de 35 pies / segundo. Calcular : 1.- Calor comunicado al vapor en la caldera, sobrecalentador y total 2.- Superficie de calefacción y caballos caldera 3.- Temperatura y volumen del horno

4.- El rendimiento térmico del generador 5.- El consumo de combustible por hora 6.- gasto volumen de los gases de combustión si la presión atmosférica es de 600 mm Hg y el análisis Orsat es CO2 = 11.85% , CO= 0.55%; O2 = 1.2%, y el resto es N2 . 7.- El diámetro y la altura de la chimenea

Solución : DATOS

Hs= 1277.2 BTU/lb ; Hv = 1190. BTU / lb ; Hb = 75 – 32 = 43 BTU /h ; ß = 22%

1.- Cálculos del calor comunicado al vapor: en la caldera, sobrecalentador , y total. Qv = W ( Hs – Hb ) = 39´450,250 BTU / h W (1277.2 – 43) = 39´450,250 :. W = 39´450,250 1234.2 W = 31,964.227 lb de vapor / h

Qc = W (Hv – Hb) = 31,964.227( 1190.4 – 43 ) = 36´675,755.02 BTU / h Qs = W (Hs – Hv ) = 31,964.227 ( 1277.2 – 1190.4) = 2´774,494.977 BTU / h Qv = Qc + Qs = 36´675,755.02 + 2´774,494.977 = 39´450,250 BTU / h Qv = W ( Hs – Hb ) = 31,964.227 ( 1277.2 – 43 ) = 39´450,250 BTU / h Calculo de la superficie de Calefacción y Caballos caldera Qc = 33.5 * S * R

:. S =

Qc 33.5 * R

= 36´675,755.02 33.5 * 200

S = 5,474 ft CC =

S 10

=

5,474 = 547.4 10

= 5474

Cálculos de PCS , PCI, Ap,Wg, y Rg PCS = 14,500C + 62,000 ( H2 – O2 ) + 4000 S 8 PCS = 14,500 ( 0.835) + 62,000 ( 0.125 – 0.018) + 4000 (.0045) = 19,736 8 PCS = 19,736 BTU / lb comb. PCI = PCS – λA = 19,736 – 1,215 = 18,521 BTU / lb comb. A = h + 9 (%H2) = 9 ( 0.125) = 1.125 lb agua/ lb comb. λA = 1080 * 1.125 = 1,215 BTU/ lb comb. Aq = 11.5 C + 34.5 H2 + 4.31 S – 4.31 O2 Aq = 11.5 ( 0.835) + 34.5 (0.125) + 4.31 ( 0.0045) – 4.31 ( 0.018) Aq = 13.85668 lb aire / lb comb

Ap = ε

* Aq = 1.2 * 13.85668 = 16.628016 lb aire/ lb comb.

Wg = Ap + ( 1- z ) = 16.628016 + ( 1-0 ) = 17.628 lb gases / lb comb. Calculo del PMg de los gases de combustion CO2 CO O2 N2

= = = =

0.1185 * 44 = 5.214 0.0055 * 28 = 0.154 0.0120 * 32 = 0. 384 0.864 * 28 = 24.192 PMg = 29.944

Rg = 1545 = 51.596 Pie/ °R 29.944 Tch = Tbch x 0.8 = 510 x 0.8 = 408°F

Cálculos de la temperatura y el Volumen del Horno Th = PCI (1-Pz) + Ap Ca ( TA – Tamb ) ( 1- Pr ) (1- ß ) + Tamb Wg Cg Th = 18521 ( 1- 0.02) + 16.628 x 0.24 ( 75 – 75 ) ( 1- 0.0375) (1- 0,22) + 75 17.628 x 0.27 Th = 18150.58 (0.9625) ( 0.78) + 75 = 2,937.985 °F 4.75956

Vh = Qh = C.c. x PCS = 2,615.3316 x 19,736 = 1,659.684 ft QL 31100

3

Calculos del rendimiento térmico del generador P = G + WA + a + Z + I + V G = Wgs Cgs ( Tch . Tamb ) Wgs = Ap + ( 1-z-A ) = 16.628 + ( 1 - 1.125 ) = 16.503 lb gases secos lb combustible G = 16.503 x 0.27 ( 408 – 75 ) = 1483.785 BTU / lb combustible WA = A λ + 0.48 (408 – 75 )

= 1.25 1080 + 0.48 ( 333 )

= 1394.82

WA = 1394.82 BTU / lb comb.

a = Wa x Ap x 0.48 ( Tch – Tamb. ) = 0.025 x 16.628 x 0.48 x 333 a = 66.445 BTU / lb comb.

Z = Pz x PCS = 0.02 x 19,736 = 394.72 BTU / lb comb I =

CO C K´ = 0.55 x 0.835 x 10160 = 376.289 BTU CO + CO2 0.55 + 11.85 lb comb

Pr = Pr PCS = 0.0375 x 19,736 = 740.1 BTU / lb comb V = Pv PCS = 0.01 x 19,736 = 197.36 BTU / lb comb P = 1483.785 + 1394.82 + 66.445 + 394.72 + 376.289 + 740.1 + 197.36 P = 4,653.519 BTU / lb comb.

ηg = 1 - P PCS

x 100 =

1 - 4653.519 19,736

x 100 = 76.43%

Calculo de consumo de combustible por hora C.c. = W ( Hs – Hb) ηg PCS C.c. =

39´450,250 0.7643 x 19736

= 2,615.3316 lb combustible / h

Wg/h = C.c. x 17.628 = 46,103.0657 lb de gases / h Vg/h = Wg/h x Rg x Tg = 46,103.065 x 51.596 x 868 P

1,671.58

Vg/h = 1´235,515.085 pie3 de gases de combustión / h 2

P = 600 14.7 x 144 = 1,671.1578 lb / pie 700

Vg =

Wg x Rg x Tg P

Vg = 17.628 x 51.596 x (510 x 0.8 + 460 ) = 1671.1578

789475.76 1671.1578

3

Vg = 472.41 ft gases de combustion Vg = C.c x Vg = 2,615.3316 x 472.41 = 1´ 235,515.2 ft Calculo del PMg de los gases de combustion CO2 CO O2 N2

= 0.1185 * 44 = 5.214 = 0.0055 * 28 = 0.154 = 0.0120 * 32 = 0. 384 = 0.864 * 28 = 24.192 PMg = 29.944

3

gases h

Rg = 1545 = 51.596 Pie/ °R 29.944 Tch = Tbch x 0.8 = 510 x 0.8 = 408°F 2

P = 600 14.7 x 144 = 1,671.1578 lb / pie 700