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APUNTES PREPARADOS POR: JULIAN I. SALAZAR MORALES

CARRERA: INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL (ESIQIE)

ASIGNATURA: GENERADORES DE VAPOR

SEMESTRE : QUINTO

ACADEMIA : DISEO E INGENIERIAS DE APOYO

GENERADORES DE VAPORTEMa

Generacion de vapor para la industria de procesoINTRODUCCION

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 APLICACIN PRACTICA EN INGENIERIA).

BTU.(BRITISH THERMAL UNIT)ES LA CANTIDAD DE CALOR NECESARIA PARA ELEVAR UN GRADO F., 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/cm ; Vs de 170C.

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 travs de un cuerpo de temperatura mas alta, hacia un cuerpo de menor temperatura.Mecanismos de transferencia de calor.

Conduccin.-

Es la transmisin de calor entre dos cuerpos o partes en los que existe una diferencia de temperatura.

Radiacin.-

Es la transmisin de energa mediada por ondas electromagnticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fros.

La conveccin.- (Natural y Forzada)

Es estrictamente un medio de mover energa de un lugar a otro: es un transporte de energa. Ocurre debido a que un fluido en movimiento recoge energa 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 PRODUCIR ENERGIA MECANICA.

QUE APLICANDO EL CALOR DE UN COMBUSTIBLE SOLIDO,LIQUIDO GASEOSO, POR EL USO DE ELECTRICIDAD 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, porttiles, locomviles y marinasCALDERAS PIROTUBULARES

SE USAN PARA CAPACIDADES Y PRESIONES REDUCIDAS.

Generador de vapor o caldera tipo vertical de tubos de humo1.- horno.- donde se produce la combustin 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 radiacin, y en los tubos de humo, de los gases de combustin por conveccin.5. Nivel de agua.- permite vigilar que haya suficiente agua en la caldera6. Manmetro para vigilar la presin de vapor en la caldera. 7. vlvula de seguridad8. Tubo de salida del vapor hacia las maqs.9. Alimentacin del agua a la caldera10. Lugar donde se introduce el combustible al horno11. Parrilla donde se coloca el comb. Solido12. Cmara de cenizas con su puerta de limp.(13)14. val.de purga15. Puertas para limp. De caldera (1)(2)(3)(11)8817

CALDERA DE TUBOS DE HUMO.- LLAMADA DE RETORNO, DE POSICION HORIZONTALCALDERAS ACUOTUBULARES

SE USAN PARA CAPACIDADES Y PRESIONES MAYORES.

GENERADOR DE VAPOR CON DIVERSOS APARATOS Y PARTES PRINCIPALES1.- 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 EQUIPOSUPERFICIE 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.22TAMBIEN : UNA CALDERA DE 10 PIES DE SUPERFICIE DE CALEFACCION O SEA APROXIMADAMENTE DE 1 m TIENE UNA CAPACIDAD DE 1 CABALLO CALDERA.

22Caballo 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 alimentacin de la misma temperatura.

Cuando esta cantidad de vapor se produce por cada m de superficie de calefaccin (aproximadamente 10 pies ) se dice que la caldera esta trabajando al 100% de carga.

En tamaos pequeos ( calderas- compactas) la capacidad se expresa en caballos caldera (CC).

El termino caballo caldera es una denominacin antigua pero se aplica todava para designar la capacidad de calderas pequeas (compactas) y tuvo se origen en el hecho de que una caldera al alimentar una maquina de vapor recprocamente, esta desarrollaba aproximadamente 1 CC por cada 10 pies ( 1 m ) de superficie de calefaccin de la caldera.2222CAPACIDAD 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 F (100C) ., EN ESTE CASO, EL UNICO CALOR QUE RECIBE EL VAPOR ES EL DE VAPORIZACION DEL AGUA A 212 F ES DE 970 BTU / lb. ( De tablas de propiedades termodinmicas 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 10.0C.C = S / 10C.C. = Caballo caldera ( a dimensional )S = Superficie de calefaccin ( ft ); (m )

S = x D x L x No. Tubos donde:

22 2 = 3.14D = Dimetro 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 * R2 2 Q = 8450 * CC*( R / 100 ) Q = 84.5 * C.C. * R TQ Kcal/kg100200300400500600700100 Kcal/KgCalor latente540 Kcal/kgCalor sensible100908070605040302010(C)640 Kcal/KgLa fig. muestra como un Kg de agua ( 1 lt) al cual se le va agregando calor, alcanza la temperatura de 100C y adquiere una energa (cantidad de calor) de 100 Kcal/Kg. A partir de ese instante, no subir mas la temperatura y todo el calor que cedamos al agua se utilizara nicamente 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 tendr almacenada una energa de 640 kcalEstas condiciones significan que el fluido absorber una cantidad de calor igual a: Q = 15.65 Kg/h ( 640 100 ) = 15.65 x 540 = 8450 Kcal/hr1 Kg de vapor1 kg aguaTQ BTU/Lb200400600800100012001400180 BTU/LbCalor latenteCalor sensible100(F)1150.3 Btu/LbEl calor sensible es el que se siente, el que percibe un termmetro ordinario, el calor latente no acusa una elevacin de la temperatura del vapor, sea este hmedo o seco. Entalpia es un termino muy popular en el lenguaje tcnico: 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 absorber una cantidad de calor igual a: Q = 34.5 Lb/hr ( 1150.3 180 ) = 34.5 x 970.3 = 33,475-5 BTU/hr2001502503250212Por lo tanto la capacidad de una caldera la podemos expresar en los siguientes trminos. Kg Lbs de vapor equivalente hr hr

Kcal BTU del vapor equivalente hr hr o caballos calderaComercialmente se acostumbra expresar los trminos de capacidad, segn el tamao relativo de las calderas y prcticamente encontramos dichas capacidades en los siguientes trminos:Calderas pequeas Kcal/h ; BTU/hCalderas en la pequea y mediana industria. Caballos caldera Calderas grandes Kg /h ; Ton/h ; Lbs/hr de vapor producidoTodas estas capacidades son convertibles entre si tomando en cuenta la definicin de caballo calderaAntiguamente y en forma muy convencional se defina la capacidad de una caldera segn su superficie de calefaccin sin tomar en cuenta la produccin de vapor y se deca que por cada m (aprox. 10 pies )de su superficie de calefaccin se tenia un caballo caldera. Esta forma de expresar la capacidad es totalmente obsoleta.22FACTOR DE EVAPORACIONFactor de evaporacin es la relacin que existe entre la evaporacin nominal, desde y a 100 C ( desde y a 212 F) y la evaporacin real bajo las condiciones efectivas de trabajo de la caldera.(PRESION Y TEMPERATURA)Factor de Evaporacin = Evaporacin Nominal Evaporacin Real

Un caballo caldera segn A.S.M.E es la evaporacin de 15.65 Kg /hr. (34.5 Lbs / h)Partiendo de agua a 100 C (212F) hasta vapor de 100 C (212F)

Ejemplo: Si se requiere 9100 Kg/hr ( 20,000 Lbs/hr ) efectivos de vapor, trabajando a 9.14 Kg/cm ( 130 Lbs/pulg ) de presin, y alimentar a la caldera con agua de 60C (140F) su factor de evaporacin (segn tabla) ser 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/hrO sea tambin : 10,174 Kg/hr = 650 caballos caldera 15.65 Kg/hr

22,360 Lbs/hr = 650 caballos caldera 34.5 Lbs/hr

2Evaporacin equivalente (nominal).- significa que la cantidad en Kg (lbs) que producir que reciba agua a ( 100C o 212F) y la convierta en vapor de 100 o 212 F) (o sea, a una presin absoluta de 1.033 kg/cm ,14.696 Lbs/ pulg )

Evaporacin Real ( de operacin ), para referirnos a la evaporacin efectiva, bajo condiciones de presin manomtrica de acuerdo a la altitud del lugar de operacin de la caldera y con agua de alimentacin con una temperatura efectiva en el momento de estar en operacin.

Para transferir las capacidades reales a las equivalentes, que son las que proporcionan los fabricantes, interviene el concepto Factor de Evaporacin. que es la relacin que existe entre la evaporacin equivalente y la evaporacin real, bajo cualquier condicin de operacin

Deber tenerse presente que las capacidades que se mencionan con capacidades mximas, es decir la mxima dotacin de combustibles que puede admitir una caldera2 2LA EVAPORACION ES LA MEDIDA DE LA CAPACIDAD DE UNA CALDERA22Si llamamos: Fe = Factor de evaporacin WE = Evaporacin equivalente Wr = Evaporacion Real

Entonces : Fe = WE ( kg/h desde y a 100C) Wr ( Kg/h reales)

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

Ejemplo : Una caldera tiene una capacidad de 950 Kg / h, desde y a 100 C pero en la practica operara a una presin manomtrica de 9.14 Kg/cm manomtricos y con agua de alimentacin de 60 C

El factor de evaporacin ( ver tablas), es de 1.118 la evaporacin real ser:

Wr = WE = 950 = 850 Kg Fe 1.118 h2Ejemplo: Si una caldera tiene una capacidad de 2070 Lbs/h desde y a 212 F pero en la practica operara a una presin manomtrica de 110 psi con agua de alimentacin de 140F.El factor de evaporacin (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 ser:

CC = 1080000 Kcal/h = 128 8450 Kcal/h

CC = 4300000 BTU/h = 128 33500 BTU/h

Tabla de factor de evaporacin

EJERCICIO :

Una caldera produce vapor y tiene una superficie de calefaccin 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

2Ejercicio :Una caldera tiene una superficie de calefaccin 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 = 12060,000 BTU / h

Ejercicio:Una caldera tiene una superficie de calefaccin de 1000 pies y trasmite al fluido 6000,000 BTU / h. Calcular el Porciento de carga a que trabaja la caldera:

R = 6000,000 x 100 = 179% 1000 x 33,500 102240Problema .- Que superficie de calefaccin necesitamos para producir 30000 Lbs. de vapor / h, a las condiciones Std., pudiendo trabajar la caldera a 200% de carga.

Problema.- Que superficie de calefaccin necesita una caldera capaz de trabajar a 250 por ciento de carga para transmitir 10000,000 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 dimetro exterior de los mismos es de 4 pulg. Y puede trabajar a 175 por ciento de carga. Calcular:a) Superficie de calefaccin b) Su capacidad en caballos caldera Cantidad de calor que transmite x horaEQUIPOS AUXILIARESECONOMIZADOR.-

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 alimentacin es calentada en el economizador hasta muy cerca de la temperatura de ebullicin.El agua de alimentacin pasa primero por el economizador y luego entra a la caldera Los gases de combustin del hogar pasan primero por la caldera y el sobrecalentador y despus por el economizadorECONOMIZADOR.-

EL ECONOMIZADOR

Con objeto de aprovechar mejor el calor de los gases de combustin, en los generadores de vapor de cierta capacidad, se instala el economizador.

El economizador es un aparto que calienta el agua de alimentacin de la caldera con los gases de combustin que salen de la caldera. Su posicin en el generador de vapor se indicada en la fig. anterior.

El agua de alimentacin de la caldera pasa primero por el economizador y luego entra a la caldera.

El agua de alimentacin es calentada en el economizador hasta una temperatura muy cercana a la de ebullicin.( la correspondiente a la presin del agua de la caldera).

El proceso en los tres aparatos es ISOBARICO, pues todos estn a la presin de la calderaPRECALENTADOR 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.RECALENTADOR DE VAPOR47CALOR COMUNICADO AL FLUIDO EN UN GENERADORPVb1v....S ECONOMIZADORCALDERASOBRECALENTADORVAPORIZACIONLiq. saturadoVapor saturadoQeQcQsQv = W ( Hs Hb )HsHvH1HbVQe = W (H1-Hb)Qc = W (Hv H1)Qs = W (Hs Hv )PROCESO ISOBARICOb = Alimentacin del agua a la calderab1 = Calentamiento del agua dentro de caldera1v = Vaporizacin en la calderaVS = Sobrecalentamiento en el sobrecalentadorw48T.....bSVV1PROCESO QUE SIGUE EL FLUIDO EN UN GENERADOR DE VAPOR49V = 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 alimentacin al entrar a la caldera

Hv = Entalpia del vapor al salir de la caldera (generalmente calidad de 98 o99 % seco).

POR LO TANTO EL CALOR COMUNICADO AL FLUIDO :

EN EL ECONOMIZADOR Qe = W ( H1 Hb )1150EN 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 oKcal /h

Qv = W ( Hs Hb ) Si hay sobrecalentamiento Qv = W ( Hv Hb ) Sin sobrecalentador

Qv = W ( Hs Hb ) Sin economizadorHb = T agua F 32 = BTU/Lb Hb = T agua C 0 = Kcal / KgAliment.Entalpa.- Es la cantidad de calor total que tiene la unidad de peso de un fluido, en su estado liquido en su fase de vapor. Kcal/kg BTU / Lbs . Se consignan en tablas de propiedades termodinmicas de los vapores.Rendimiento del generador de vapor: = Qv / Qh :. Qh QvgProblema 1.- En una caldera sin sobrecalentador el agua de alimentacin entra a 100F . La presin es de 160 PSI y el vapor sale con 98 por ciento de calidad. Calclese la cantidad de calor que recibe el fluido por hora si el agua de alimentacin es de 5500 lbs / hr.

Problema 2.- En una caldera con sobrecalentador el agua de alimentacin entra a 100F. la presin es de 160 PSI y el vapor sale a 500F. Calclese la cantidad de calor que recibe el fluido por hora si el agua de alimentacin es 5500 lbs/hr

Problema 3.- a) Que capacidad, en caballos caldera.b) Superficie de calefaccin 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 VAPORQe EconomizadorQc CalderaSobrecalentadorPrecalentador de aireHORNOWWVAPOR SATURADO AGUA CALIENTET1 H1TbHbAGUA CALIENTECOMBUSTIONCcAIREATMOSFERICOCHIMENEAGASES A LA ATMOSFERA( wg ) GASES DE COMBUSTIONAGUAVAPORSOBRECALENTADOQv Hs TsHv TsatWgPCSPCIQhThQh= Calor producido en el horno BTU / h Kcal / h.Qh= PCS X CcCc= CONSUMO DE COMBUSTIBLE Kg / h Lb / hGASES DE COMBUSTIONPvPvg = Rendimiento trmico del generadorg = Calor aprovechadoCalor suministrado=W ( Hs Hb )PCS * CcQvQhQv = Qe + Qc + Qs = W ( Hs Hb ) con sobrecalentadorQv = W ( Hv Hb ) sin sobrecalentador=Qv= CALOR APROVECHADOQs 53RENDIMIENTO DE UN GENERADOR

g = Qv / ( PCS * C.c )g = W ( Hb Hb ) / PCS* C.c.g = 335 * CC * R / PCS * C.cg = 33.5 * S * R / PCS * C.cCALOR LIBERADO EN EL HORNOEl calor que recibe el fluido proviene del horno, y se debe a la oxidacin del combustible, como el Generador de vapor tiene perdidas, el combustible tiene que producir o Liberar una cantidad de calor Qh mayor que Qv. g = Qv Donde: Qv = calor total recibido por el fluido Qh en el generador Qh = Calor que libera el combustible = Kcal / hr oBTU / hr g = Rendimiento del generador de vapor :. Qh QvCalculo 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 produccin de vapor del GV en porcientos de carga de la caldera entonces: C.c = (C.C.) R * 33,500 100 g ( P.C.S)

C.c. = QhP.C.SC.c. = W ( Hs- Hb ) g P.C.S Donde: P.C.S = Poder Calorfico 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 180F. 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 petrleo de 18,800 BTU/lb . Calcular :EL calor liberado en el Horno El consumo de combustible por horaDatos: P = 360 psi ; Hb = 180F 32F = 148 BTU/lb ; Hv = 1,204.1 Ts= 600F; Hs= 1,310.1 BTU/lb ; g = 75% ; PCS = 18,800 BTU/lb

Solucion:Qc = W ( Hv- Hb ) = 7,000 ( 1,204.1 148 ) = 7000 (1056.1) = 7392,700 BTU/hQv = W ( Hs- Hb) = 7000 ( 1,310.1 148) = 8134,700 BTU/h

C.c = Qv / g PCS = 8134,700 / .75 x 18,800 = 576.93 Lb/ h

Qh = Qv / g = 8134,700 /.75 = 10846,266.67 BTU/h2Petrleo

Problema : Una caldera trabaja a 175 por ciento de carga, tiene 2430 pies de superficie de calefaccin y consume petrleo de 18800 BTU/lb., con un rendimiento de 70%. Calcular el consumo de combustible.Datos:R = 175% ; S = 2430 ft , PCS = 18800 Btu/lb ; g = 70%; C.c. = ?

g = 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 g 18,800 x 0.70

= 14245,875 = 1082.51 Lb/h 13,160

22PODER 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 / lbCALCULO DEL CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN UN G.V. C.c = Qh ( P.C.S. )

Q = CALOR LIBERADO EN EL HORNO K CAL / Hr. BTU / Hr.

hC.c = CONSUMO DEL COMBUSTIBLE Kg / Hr 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 P.C.S = 8,000 ( % ) + 34,500 ( % H - % O ) + 2200 ( % S ) = K cal / Kg comb. 8822 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. - A

CANTIDAD DE CALOR PARA EVAPORAR HUMEDAD TOTAL DEL COMBUSTIBLE = Calor latente de vaporizacin del agua 1080 BTU 600 Kcal Lb H O Kg agua A = Humedad Total = Kg Lb H O Kg Lb combA = h + 9 (% H )22Wg = A + ( 1 z ) = Kg Lb gases C Kg Lb comb 2Z = contenido de cenizasWg = Peso de los gases de la combustin HORNO% PESO DE LOS ELEMENTOS QUIMICOSAq = Aire quimicoAq = 11.5 % C + 34.5 % H + 4.31 ( % S ) - 4.31 % O ANALISIS DEL AIRE QUIMICO22Kg Lb aireKg Lb comb.=Ap = Aire prctico real = x Aq =Coeficiente total de aire empleadoAp = 0.8 Aq 30% exceso =1.320% deficit = 0.8A p = 1.3 AqHORNOAIREPRODUCTOS DE LA COMBUSTIONWg = Kg Lb gas Kg Lb combA / CCOMBA / C + 1 = WgA /C = RELACIN / COMB = Kg Lb aire Kg comb. ENTRADAS = SALIDAS1 Kg Lb balanceC + O CO 22222221 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 AIRENO% Vol% Peso 7976.82123.21 Kg aire = 0.768 Kg N 0.232 Kg O2 222222Moles N 3.76 79 O 21 ==Aq 2.66 11.5 Kg aire 0.232 Kg C==cKg OKg aireKg OKg CH + O H O2 Kg + 16 Kg O 18 Kg H O 1 mol + mol O 1 mol H O 2222 1 Kg + 8 Kg O 9 Kg H O2222Aq = 8 34.5 Kg Lb aire 0.232 Kg Lb H.=S + O SO 1 mol + 1 mol 1 mol SO22232 Kg + 32 Kg O 64 Kg SO 1 Kg + 1 Kg O 2 Kg SO22HAq 1 4.31 Kg Lb aire 0.232 ==Kg Lb S TEMPERATURA DEL HORNO

Q = W Cp TDONDE: Q = PCI W = Wg Cp = Cg :. T = T horno T ambienteEntonces : PCI = Wg * Cg * ( Th Tamb ).:. Th = (PCI / Wg * Cg ) + Tamb Ec. Terica Cg = calor especifico de los gases de combustin TEORICALa 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 radiacin.El calor liberado en el horno pasa directamente a la superficie metlica 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 ) + t amb.F CPr = Perdidas por radiacin ( 0 6% )Pz = Perdida por combustible no quemado = factor de diseo de horno depende de que tan expuesto este el horno a los tubos de agua de la caldera. = 15 % 0.15 enfrente de la caldera = 22% 0.22 abajo de la caldera = 27% 0.27 dentro de la caldera ThCa = 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 = Liberacin de calor permitido BTU / Pie Hora ( se da como dato en problemas)333DISTRIBUCION DE PERDIDAS DE CALOR EN UN GENERADOR

Perdidas por la chimeneaPerdidas por el combustible no quemadoPerdidas por combustin incompletaPerdidas por radiacin y conveccin naturalPerdidas 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 G = calor perdido por gases secos BTU / lb combustible G = Wg/s * Cg * ( Tch T amb )

WA = Calor perdido por vapor de agua WA = A + 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 = 0.48a = 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= carbn en la ceniza K = Poder calorfico carbn = 14,500 BTU / lb

3.- Perdidas por combustin incompleta

I = %CO * C * K %CO + %CO2 Donde: % CO = Obtenido del anlisis ORSAT %CO + %CO2 C = Carbn quemado K= Diferencia de poder calorfico = 10,160 BTU / lb 5650 Kcal/Kg

4.- Perdidas por radiacin. Pr = Perdidas por radiacin ( 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 :. g = 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 anlisis 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 82F. Se tienen perdidas por radiacion Pr = 4% Se tienen perdidas por combustible no quemado Pz = 3% El factor de diseo del horno = 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%23