Generadores De Vapor

GENERADORES DE VAPOR APUNTES PREPARADOS POR: JULIAN I. SALAZAR MORALES CARRERA: INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL (ESIQIE) ASIGNATURA: GENERADORES DE VAPOR SEMESTRE : QUINTO ACADEMIA : DISEÑO E INGENIERIAS DE APOYO

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 CALOR Es 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.

*PARTES ESENCIALES DE UN

GENERADOR DE VAPOR:

* 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 PIROTUBULARES SE 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 vaporizar8 3.- tubos de humo. Por donde pasan los gases del horno. Y salen por la chimenea (4).

7. válvula de seguridad 8. Tubo de salida del

vapor hacia las maqs

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.

(3)

5. Nivel de agua.- permite vigilar que haya suficiente agua en la caldera 6. Manómetro para vigilar la presión de vapor en la caldera.

(1 )

(2)

(11)

9. Alimentación del agua a la caldera 10. Lugar donde se introduce el combustible al horno 11. Parrilla donde se coloca el comb. Solido 12. Cámara de cenizas con su puerta de limp.(13) 14. val.de purga 15. Puertas para limp. De caldera

CALDERA DE TUBOS DE HUMO.- LLAMADA DE RETORNO, DE POSICION HORIZONTAL

CALDERAS ACUOTUBULARES SE USAN PARA CAPACIDADES Y PRESIONES MAYORES.

GENERADOR DE VAPOR CON DIVERSOS APARATOS Y PARTES PRINCIPALES 1.- HORNO TOTALMENTE ENFRIADO POR AGUA 2.- PARRILLA DE AGUA 3.- QUEMADOR DE CARBON PULVERIZADO 4.- TOLVA DE CARBON PULVERIZADO 5.- SALIDA DE LAS CENIZAS 6.- CALDERA DE TUBOS DE AGUA 7.- TAMBOR DE LA CALDERA 8.- SOBRECALENTADOR DE VAPOR 9.- SALIDA DEL VAPOR SOBRECALENTADO A LAS TURBINAS 10.- RECALENTADOR DE VAPOR 11.- ENTRADA DEL VAPOR DE BAJA PRESION AL RECALENTADOR 12.- SALIDA DEL VAPOR DE BAJA PRESION YA RECALENTADO A LAS TURBINAS 13.- DUCTO DE LOS GASES DE COMBUSTION 14.- ECONOMIZADOR 15.- ENTRADA DE AGUA DE ALIMENTACION AL ECONOMIZADOR 16.- PRECALENTADOR DE AIRE TUBULAR 17.- VENTILADOR DE EXTRACCION DE LOS GASES 18.- VENTILADOR DE INYECCION DEL AIRE 19.- DUCTO DE AIRE PRECALENTADO 20.- SALIDA DE CENIZAS 21.- CHIMENEA 22.- CONJUNTO DE MANOMETROS 23.- INDICADOR DE NI VEL DE AGUA 24.- 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 m2 o pies2 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. TAMBIEN : 2

UNA CALDERA DE 10 PIES DE SUPERFICIE DE CALEFACCION O SEA APROXIMADAMENTE DE 1 m 2 TIENE UNA CAPACIDAD DE 1 CABALLO CALDERA.

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 2 de superficie de calefacción (aproximadamente 10 pies 2 ) 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 pies2 ( 1 m2 ) de superficie de calefacción de la caldera.

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/cm2 ) , 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 / 10 C.C. = Caballo caldera ( a dimensional ) 2 2 S = Superficie de calefacción ( ft ); (m ) S = π x D x L x No. Tubos

donde:

π = 3.14 D = Diámetro del tubo L = 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 m2 ( 10 pies2 ) POR LO TANTO:

R =

Q C.C. * 33,500

* 100

R = % DE CARGA Q = 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

Q = 8450 * CC*( R / 100 ) Q = 84.5 * C.C. * R

T (°C) 1 Kg de vapor 640 Kcal/Kg 100 Kcal/Kg 100 La fig. muestra como un Kg de agua ( 1 lt) al cual se le va 90 agregando calor, alcanza la temperatura de 100°C y 80 70 adquiere una energía (cantidad de calor) de 100 Kcal/Kg. A 60 partir de ese instante, no subirá mas la temperatura y todo 50 el calor que cedamos al agua se utilizara únicamente en 40 cambiar de estado(liquido o ´vapor), hasta que todo el litro 30 de agua ( 1 Kg) se haya evaporado en su totalidad. Entonces el kg de vapor tendrá almacenada una energía 20 de 640 kcal 10 Q Kcal/kg 1 kg agua 100 200 300 400 500 600 700 Calor Calor latente sensible 540 Kcal/kg 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

T (°F) 250 212

200 150 100 50

32

1150.3 Btu/Lb 180 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. Q BTU/Lb 200 Calor sensible

400

600 800 Calor latente

1000

1200 1400

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

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 caldera Comercialmente 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/h b) Calderas en la pequeña y mediana industria. – Caballos caldera c) Calderas grandes Kg /h ; Ton/h ; Lbs/hr de vapor producido Todas estas capacidades son convertibles entre si tomando en cuenta la definición de caballo caldera Antiguamente y en forma muy convencional se definía la capacidad de una caldera según su superficie de calefacción sin tomar en cuenta la 2 2 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.

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

ECONOMIZADOR.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: 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%.

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.

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

PROCESO ISOBARICO Vapor saturado

.

b

1

Hb H1 ECONOMIZADOR

Liq. saturado VAPORIZACION V´

.

CALDERA

w

.

v

S

Hv

Hs

SOBRECALENTADOR

Qc = W (Hv – H1)

Qe

Qc

Qs Qs = W (Hs – Hv )

Qe = W (H1-Hb)

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 =

BTU/Lb Kcal / Kg

Aliment.

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 Economizador

AGUA CALIENTE

Pv

GASES DE COMBUSTION

Qc Caldera

Qs

VAPOR SATURADO

Sobrecalentador

W VAPOR

Hv Tsat

T1 H1

SOBRE CALENQv TADO

Hs Ts

( wg ) GASES DE COMBUSTION

Precalentador de aire

AIRE ATMOSFERICO

AGUA CALIENTE

Wg

HORNO

COMBUSTION

Cc

PCS PCI

Qh

Th

Qh= Calor producido en el horno BTU / h ó Kcal / h. Qh= PCS X Cc Qv= CALOR APROVECHADO Cc= CONSUMO DE COMBUSTIBLE Kg / h ó Lb / h

ηg = Rendimiento

GASES A LA ATMOSFERA

ηg = Calor aprovechado CHIMENEA

Calor suministrado =

Qv Qh

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% ; PCSPetróleo= 18,800 BTU/lb 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 ( 1,310.1 – 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

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 ft 2 , 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

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 Q h ( P.C.S. )

= CALOR LIBERADO EN EL HORNO

K CAL / Hr. Ó BTU / Hr.

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 2 - % O2 ) + 4,000 % S = BTU / Lb comb. 8 ó P.C.S = 8,000 ( % ) + 34,500 ( % H2 - % O 2 ) + 2200 ( % S ) = K cal / Kg comb. 8

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. -

λA

λ= Calor latente de vaporización del agua

CANTIDAD DE CALOR PARA EVAPORAR HUMEDAD TOTAL DEL COMBUSTIBLE

A = Humedad Total = Kg ó Lb H2O Kg ó Lb comb A = h + 9 (% H2 )

1080 BTU Lb H2O

ó

600 Kcal Kg agua

Wg = A + ( 1 – z ) = Kg ó Lb gases C Kg ó Lb comb

Wg = Peso de los gases de la combustión

Z = contenido de cenizas

ANALISIS DEL AIRE QUIMICO

HORNO

% PESO DE LOS ELEMENTOS QUIMICOS

Aq = Aire quimico Aq = 11.5 % C + 34.5 % H2 + 4.31 ( % S ) - 4.31 % O2 =

Kg ó Lb aire Kg ó Lb comb.

Ap = Aire práctico ó real = ε x Aq

ε

= Coeficiente total de aire empleado

20% deficit

30% exceso Ap

ε = 0.8

=

ε

=

1.3

1.3 Aq

Ap = 0.8 Aq ENTRADAS = SALIDAS AIRE A/C

HORNO

Wg = Kg ó Lb gas Kg ó Lb comb

A /C = RELACIóN / COMB = Kg ó Lb aire Kg ó comb.

balance

A / C + 1 = Wg

PRODUCTOS DE LA COMBUSTION

COMB

1 Kg ó Lb

AIRE NECESARIO PARA LA COMBUSTION

C + O2 1 mol

CO 2

+ 1 mol

1 mol

12 Kg + 32 Kg

1 Kg

44 Kg CO2

+ 2.66 Kg

3.66 Kg CO2

% Vol

N2

AIRE

O2 Moles

H2

+ 16 Kg O 2

1 Kg

+

Aq

H2

=

23.2

21

1 mol H

=

79 21

Aq

c

2

O

9 Kg H 2 O

=

Kg O Kg C

2.66 = 0.232 Kg O

=

Kg aire

S

18 Kg H 2 O

8 Kg O 2 8 0.232

1 Kg aire = 0.768 Kg N 2 0.232 Kg O 2

H2O

1 mol + ½ mol O 2 2 Kg

79

N 2 = 3.76 O2

+ ½O2

% Peso 76.8

34.5 Kg ó Lb aire Kg ó Lb H.

+

11.5 Kg aire Kg C

O2

1 mol + 1 mol

32 Kg + 32 Kg O 2 1 Kg Aq

+ 1 Kg O 2

=

1 = 4.31 0.232

SO 2 1 mol SO2

64 Kg SO2 2 Kg SO 2 Kg ó Lb aire Kg ó Lb S

TEMPERATURA DEL HORNO Q = W Cp ΔT DONDE: Q = PCI W = Wg Cp = Cg :.Cg = calor especifico de los gases de combustión ΔT = T horno – T ambiente Entonces : PCI = Wg * Cg * ( Th – Tamb ). :. Th = (PCI / Wg * Cg ) + Tamb Ec. Teórica

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 ( P.C.I. ) ( 1 – Pz ) + A / C*Ca ( tA - tamb ) ( 1 – Pr) ( 1 – β ) + t amb. Th = Wg Cg

Th

ta = Temperatura del aire en el horno.

= ºF ó º C Ca = calor especifico del aire = 0.24 Cg = calor especifico de los gases = 0.27

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

VOLUMEN DEL HORNO = Qh QL Donde :

ft 3 o´

m3

Qh = Calor en el horno BTU / Hora 3 QL = Liberación de calor permitido BTU / Pie Hora ( se da como dato en problemas) DISTRIBUCION DE PERDIDAS DE CALOR EN UN GENERADOR 1. 2. 3. 4. 5.

Perdidas por la chimenea Perdidas por el combustible no quemado Perdidas por combustión incompleta Perdidas por radiación y convección natural 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 %CO + %CO2

* C * K´

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/pulg2 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/ Pie3 hr ( Liberacion de calor permitido) • La caldera trabaja a 300% de carga y produce vapor con una calidad de X= 95%