Oooooo
Oooooo
Oooooo
CAPÍTULO II
REVISIÓN DE LITERATURA
2.1 Antecedentes:
generador de vapor tipo vertical de dos pasos 10 BHP para uso de laboratorio y ensayos
vapor de agua. En su resumen dice que el vapor de agua es uno de los medios de
2
transmisión de calor de mayor efectividad y su fácil generación y manejo, lo han situado
como uno de los servicios auxiliares más difundidos en la industria. Mencionan también
que han encontrado, en los diagnósticos efectuados para el ahorro de energía, grandes
potenciales en la generación y distribución de vapor, que van desde 5% hasta 20% del
de vapor.
de la caldera que puede revelar una degradación por caída, que si es detenida y
son aparatos cuya función es transportar calor contenido en el agua en forma de calor
3
El vapor saturado se usa normalmente para procesos industriales y el calor que
de potencia, sin embargo, como en todo, no se puede decir que hay una línea de
Fuente: https://www.google.com/search?qcalderas
a) Partes a presión
4
b) Cámara de combustión
cámara de combustión.
Si los tubos van dentro del recipiente, entonces el agua se deposita dentro del
los tubos expuesta a los gases de combustión calientes y por ello se dice que las calderas
son pirotubulares, en tanto que, si los tubos van fuera del recipiente, el agua se deposita
dentro del recipiente y moja la superficie interior de los tubos y por eso se les denomina
Es decir, dependiendo que la superficie interior de los tubos sea expuesta a los gases
b) La Cámara de Combustión:
Es un espacio libre, dentro o fuera de las partes a presión, donde la presencia de aire,
del Carbono e Hidrogeno del combustible, con el oxígeno del aire provocando un gran
vapor.
5
La parte de calor que no se transfiere al agua se va: con los gases de combustión que
salen por la chimenea y por radiación al medio ambiente donde se instala y opera la
caldera.
De lo expresado se puede concluir entonces que las Calderas Industriales pueden ser
vapor por hora y entre 10 bares y 20 bares de presión, no siendo esta una división o
(Kohan, 2007) Dos tipos básicos de calderas suministran la mayor parte del vapor
que se usa para procesos y calentamiento industriales. Los calderos de tubos de fuego se
aproximadamente 300 psi, mientras que los calderos de tubos de agua tienen
generalmente una capacidad sobre las 10 000 libras/hora de vapor y suministran este a
almacenada dentro de un casco a presión, pasando los gases calientes a través de una
serie de tubos sumergidos en el agua. Los calderos de tubos de agua realizan este
proceso al revés, ya que tienen el agua dentro de los tubos y los gases calientes afuera.
Transmisión de calor:
Se logra transmitir el calor de los gases calientes al agua mediante una combinación
agua. El calor siempre se mueve desde las zonas calientes hacia las frías, por lo que la
transmite la energía de calor en forma análoga a como cuando un balde de agua se pasa
de mano en mano por una fila de hombres, sin que ninguno se mueva de su sitio.
convección. La mezcla de esta agua caliente con el agua fría produce la transmisión del
calor. Tal como la radiante energía calorífica del sol, la radiación producida al quemar
radiación calienta los objetos que se encuentran en línea directa a la fuente de radiación.
Por ejemplo, en una caldera de tubos de agua, aquellos tubos en línea directa con los
quemadores serán calentados por la energía radiante, así como por los gases calientes
caldero, determinará exactamente cuánto del total de la transferencia del calor se lleva a
Obviamente, si la conducción del calor a través del tubo aumenta, el mismo tamaño
de tubo suministrará mayor transferencia de calor. Esta es la razón por la cual algunos
7
De igual forma, una cámara de combustión bien diseñada en una caldera de tubos de
fuego, será capaz de absorber la mayor cantidad posible de energía radiante de la llama
Los diagramas muestran vistas simplificadas de lo que pasa en una caldera de tubos
Para comprender las diferencias entre estos diseños, hay que considerar los tubos a
través de los cuales fluyen los gases en una caldera de tubos de fuego como un solo tubo
largo y continuo. Los gases calientes entran por un extremo proveniente de la cámara
de combustión, y los gases ya fríos se expelen hacia la chimenea por el otro extremo.
produciendo vapor.
Esta caldera de un solo tubo, es obviamente poco práctica, por lo que se usan varios
tubos más cortos en paralelo, que dan en total la misma área del tubo. Esta es la caldera
básica de tubos de fuego, de Dos Pasos. Los gases calientes bajan del horno hacia la
frontal a través del paquete de tubos en paralelo. Las calderas de tubos de fuego de Dos
(cámara de combustión) grande para lograr altos rendimientos de transferencia del calor.
El casco de gran diámetro y un nivel de agua relativamente bajo hacen que la unidad de
dos pasos sea particularmente adecuada para cumplir con demandas súbitas de vapor.
8
Figura 2.2: Caldera pirotubular de dos pasos.
Fuente: https://www.google.com/search?qcalderaspirotubulares.
Las Calderas de Tres Pasos poseen otro juego de tubos y un arreglo divisorio para
retornar los gases a la chimenea ubicada en la parte posterior. Los tubos en el segundo
paso pueden ser algunas veces más grandes que en la caldera de dos pasos; los tubos del
tercer paso pueden ser reducidos en número o diámetro para mantener la velocidad de
Vapor a 150·OC
Fuente: https://www.google.com/search?qcalderaspirotubulares+tres+pasos.
9
Las unidades de tres pasos, de tipo compacto, ofrecen alta eficiencia y altas
velocidades del gas dentro de la cámara y tubos, pero requieren el uso de un ventilador
más potente para suministrar la corriente necesaria para vencer el tercer paso.
Las calderas de tubos de fuego de Cuatro Pasos añaden otra reversión de la dirección
del gas e incrementan el área del recorrido del gas. En efecto, la unidad de cuatro pasos
duplica los tubos qué se requieren para la unidad de dos pasos, aumentando en esta
forma el área de calefacción para lograr un diseño más compacto. A mayor cantidad
de pasos de gases, aumentan las pérdidas por fricción, requiriéndose por consiguiente
Las calderas de espalda húmeda son aquellas en las cuales, la cámara posterior que
está dentro del casco tiene cierto espacio, cubierto con agua, reduciendo así la cantidad
de refractarios. Estos modelos están en desuso. Los diseños de espalda seca tienen esta
materiales refractarios; estos tipos son los más conocidos y prácticos para él servicio de
los tubos.
10
Fuente: https://www.google.com/search?qcalderaspirotubulares+cuatro+pasos.
11
Tiro de chimenea: el tiro se logra ya sea por ventiladores de tiro forzado o de tiro
inducido. Las unidades de tiro forzado alimentan el aire frio de la sala de calderas a la
Una vez más, las calderas significan un desarrollo importante con el incremento de
convencionales en que están diseñados en tal forma que el agua deja los tubos en forma
de vapor, en vez de una mezcla de agua y vapor. Se han eliminado los tambores de
un sistema de doble paso (by-pass) para volver a pasar por la turbina y recircular el
Las unidades de ciclo combinado, combinan una caldera operando ya sea a presiones
12
El ciclo Velox utiliza el gas del tubo de la caldera para mover la turbina, la cual
opera un compresor que suministra aire de combustión al petróleo de alta presión o a los
quemadores de gas. Se utilizan los gases calientes de escape de la turbina para pre-
La segunda forma realiza este ciclo al revés, y alimenta desde el escape a una
turbina de gas funcionando separadamente, hacia la caldera. Esto permite que la caldera
recobre el calor del escape de la turbina como parte de su ciclo regular. Desde que la
grandes unidades.
La caldera y/o la turbina pueden ser usadas separadamente; sin embargo, cuando se
Los fabricantes de los calderos acuotubulares han desarrollado los clásicos tipos de
calderos “A”, “D” y “O” teniendo presente las altas presiones a desarrollar y los
En nuestro medio la Caldera del modelo “A” es poco conocida, en cambio el modelo
“D” tuvo gran aceptación en el mercado, especialmente en la Industria Pesquera por los
grandes volúmenes de producción de vapor que maneja y las presiones de diseño que
alcanzan los 250 psi; actualmente este modelo ha sido reemplazado por el modelo “O”
debido a que por tener una forma asimétrica presentaba problemas en el transporte.
en transporte, así como por tener una cámara de combustión perfectamente simétrica
13
con
14
paredes de tubos de agua escalonados la distribución de calor es más uniforme y la
Los tres tipos de calderos indicados pueden ser construidos con tubos aleteados o
tubos tangenciales, siendo estos últimos los que han tenido mayor aceptación, ya que
representan una verdadera pared de agua y una mayor absorción efectiva de calor. Así
Las calderas con tubos aleteados presentan un problema, las aletas están dispuestas al
fuego directo y pueden ser quemadas por falta de una efectiva refrigeración interna del
tubo.
automática y semi-automática.
ignición, la modulación de fuego o también fuego en posición alta y baja que a su vez
pedido especial los controles pueden ser ubicados en paneles o gabinetes exteriores a la
unidad. Se puede decir que en 1940 se inició la producción masiva de los calderos
acuotubulares y su aplicación.
Estos tres diseños corresponden a los tres tipos más comunes de calderas compactas
acuotubulares. La caldera tipo "A" requiere de dos pequeños tambores bajos o cabezales
15
con un tambor grande de vapor arriba para separar el vapor y el agua. Las calderas del
tipo "D" requieren solamente de un tambor de agua o cabezal abajo, con un tambor de
vapor en la parte superior. La Caldera tipo “O” usa solamente un tambor en la parte
inferior con un tambor de vapor encima, pero ambos están colocados en el centro de la
Fuente: https://www.google.com/search?qcalderasacuotubulares_A
Fuente: https://www.google.com/search?qcalderasacuotubulares_D
16
Figura 2.7: Caldera acuotubular "Tipo O".
Fuente: https://www.google.com/search?qcalderasacuotubulares_O
¿Cuáles son las razones del uso preferente del agua sobre otros fluidos?
Sus buenas propiedades termodinámicas; alto calor específico, alto calor latente
crítica
17
es razonablemente alta y permite su empleo en ciclos térmicos con bajas
¿Cuáles son las características que distinguen la fase líquida del vapor?
contiene.
con la presión.
fuerzas gravitatorias (peso) o de las paredes del recipiente que los contiene.
En el sentido estricto, los vapores tienen unas características similares a los gases
cuando son secos y sobrecalentados, pero normalmente están en una situación muy
18
Por esa razón, se dice que un vapor es tanto más gas cuanto más sobrecalentado se
Contenido Calorífico
2
P (kgf (cm (kcal/kg) hfg Rel. Calor
T (ºC)
abs.) (kcal/kg) Vapor-líquido
Líquido Vapor
1 99,09 99,12 638,5 539,38 6,44
20 211,38 215,2 668,5 453,38 3,11
50 262,70 274,2 667,3 393,10 2,43
70 284,48 300,9 662,1 361,20 2,33
100 309,53 334,0 651,1 317,10 1,95
200 364,08 431,5 582,3 150,80 1,35
225,65 374,15 501,5 501,5 0 1
Fuente: (Kohan, 2000) Manual de Calderas.
Primero:
El calor contenido por el vapor es siempre superior al del líquido y la relación entre
19
Segundo:
temperatura. Por esa razón cuando el vapor se utiliza para suministrar calor en un
proceso, interesa trabajar con vapor a la menor presión posible, compatible con las
exigencias del proceso donde se emplea vapor y con los requisitos de presión y
Tercero:
Entre las redes de distribución de un líquido y un vapor existe un detalle que las
Cuarto:
vapor que con el líquido, a lo que hay que añadir la posibilidad de un mejor
aprovechamiento del calor aportado al agua en el generador, pues con el vapor se puede
Quinto:
20
Cuando el fin que se persigue es la producción de energía mecánica, bien sea
generador de vapor.
Se necesita añadir suficiente energía para que se eleve la temperatura del agua
controlar.
21
Figura 2.8: Flujo de calor de las tuberías hacia el agua.
Esta transferencia de calor transforma una cierta cantidad del vapor en agua
nuevamente.
22
Figura 2.9: Calor fluye a través de la pared de los tubos hacia el aire.
~ .r=> :
.
" "'~
"IE.r.U3,Wlp"rQ'Sd'.
,;;;;~~lr,::,~ii6" 'n
~J I ,'15.39,., 1'7' Can e:,n'l's'F:p
---J.
I
V,~IQI'"
'2'1676,,(
lG~, .. ij
23
Se necesita aproximadamente 4,19 kJ por cada ºC de incremento en la temperatura
hasta el punto de ebullición; pero es necesario más kJ para convertir agua a 100ºC en
vapor a 100ºC.
En el segundo caso se tiene una presión de 10 bares nótese que se necesita más calor
y una mayor temperatura para poder hervir el agua a esta presión: pero también ahora se
En sJp(u do
E'/lIPoti~llCi6f1
20 :15.3 kJ Entalp(u dill
(481,43~11 VEQor$411J do
lnS,1 tl
(862,98 Call
El"ltlllprO$ etal
~9J1 S.lrurad I
16'2.8 kJ :
(19t,56 Cal) i
U
Q
El agua, sea cual sea su fuente, tiene una gran cantidad de impurezas con
Los valores a que los contaminantes deben ser reducidos están determinados por la
Independiente del propósito del vapor producido en una caldera, los mayores
de condensado.
(ensuciamiento y espumeo).
Impurezas en el agua
Las impurezas más comunes y que mayor influencia tiene en la generación de vapor
son:
bien orgánicos, tales como aceite o grasas suspendidas. Los sólidos suspendidos tapan
de corrosión en condensados.
corrosivos.
Conductividad
Presión caldera Sílice Alcalinidad total
específica
(psig) ppm SiO2 ppm CaCO3
Umho/cm
causan una grave alteración en la superficie interna de los tubos, que disminuye la
en los equipos en donde éste es usado y en los sistemas de condensación del vapor.
Tabla 2.3: Límites de impurezas recomendados para el agua de alimentación y agua de
calderas a diferentes presiones de trabajo.
AGUA DE CALDERA AGUA DE AUMENTACIÓN
Presión Sólido Alcalinida Sílice, Dureza, Hierro, Cobre, Oxíge
de s d total, ppm ppm ppm ppm no,
caldera totales ppm como como como como Fe como ppm
, CaCO31 SiO22 CaCO3 Cu como
1
ppm O2
0-300 3.500 700 75-50 0-1 0,10 0,05 0,007
Máx.
301-450 3.000 600 50-40 0-1 0,10 0,05 0,007
Máx.
451-600 2.500 500 45-35 0-1 0,10 0,05 0,007
Máx.
601-750 2.000 400 35-25 0-1 0,05 0,03 0,007
Máx.
751-900 1.500 300 208 0-1 0,05 0,03 0,007
Máx.
901- 1.250 250 10-5 0-1 0,05 0,03 0,007
1.000 Máx.
1.001- 1.000 200 5-2 0 0,01 0,005 0,007
1.500
1.501- 750 150 3-0,8 0 0,01 0,005 0,007
2.000
2.001- 5004 1004 0,4-0,2 0 0,01 0,005 0,007
2.500
2.501- 5004 1004 0,2-0,1 0 0,01 0,005 0,007
3.000
La materia orgánica del agua de alimentación debería ser cero y el pH, en el rango de 8,0 a
9,53. Referencias y notas:
1. American Boiler Manufacturers Assoc. Manual de 1958.
2. Por encima de 600 psig, el nivel de sílice seleccionado para producir vapor con 0,02 ppm de
SiO2,
3. Publicaciones Babcock & Wilcox: (a) Tratamiento de agua para calderas industriales, BR-884,
8-68; y (b) J. A. Lux, «Control de calidad del agua de calderas en la planta de vapor de alta
presión», 9/62.
4, J, A. Lux, 3(b), recomienda niveles tan bajos como 15 ppm de sólidos totales disueltos por
encima de 2,000 psig.
MATERIALES Y MÉTODOS
específicos trazados.
3.1 Equipos
Características técnicas:
Marca : INTESA
Puno.
Elaboración: Propia.
3.2 Instrumentos
Instrumento que se utilizó para medir las temperaturas necesarias para el balance
térmico de la caldera.
Marca : Yokogawa
Modelo : 2455
Tipo :K
Fabricación : Japón
Elaboración: Propia.
3.2.2 Psicrómetro
la temperatura de bulbo húmedo (TBH), para los cálculos del balance térmico.
Características técnicas:
Marca : Leybold
Fabricación : Alemana
47
Repositorio Institucional UNA-PUNO
No olvide citar esta tesis
El psicrómetro empleado es prestado por el Servicio de Meteorología e Hidrología
(SENAMHI).
Elaboración: Propia.
3.3 Métodos
150
– Steam Generating Units, Power Test Codes 4.1 (ASME) para la evaluación de la
49
Repositorio Institucional UNA-PUNO
No olvide citar esta tesis
las medidas a tomar con miras hacia un buen y eficiente funcionamiento de la unidad.
% CO2
% CO
% O2
50
Repositorio Institucional UNA-PUNO
No olvide citar esta tesis
Teniendo en cuenta que la instalación cuenta con un medidor de caudal del tipo
orificio; es que podemos determinar el flujo de vapor que nos entrega el caldero. El
mc
diesel ……………………………….(Ec. 3.1)
Vc
Entonces:
3
δ diesel 54, 6 lb/pie
mc
mc ……………………………(Ec. 3.3)
tc
51
Repositorio Institucional UNA-PUNO
No olvide citar esta tesis
52
Repositorio Institucional UNA-PUNO
No olvide citar esta tesis
Dónde: m c = flujo de combustible en lbs/hora
mc = masa de combustible en lb
% CO2
% O2
% CO
% N2
c = % CO2 ; d = % CO ; e = %O2 ; f = b = % N2
Nitrógeno: 79%
Oxígeno: 20,99%
53
Repositorio Institucional UNA-PUNO
No olvide citar esta tesis
b 79
Por tanto: 3, 76
a 20, 99
con los coeficientes respectivos del número de moles, se determinará la relación aire
r
32
lb
mol O2 m o
Nº
le s O 2
28 lb
mol N 2 mo
Nº
l es N 2 … … … . ( E c . 3 .
5a/c)
12
lb
mol C
Nº
moles C 1
lb
mol H
Nº
moles H
Ecuación 3.5: Relación aire combustible
teórica.
% Exceso aire
ra/creal
100 −100 … … … … … . ( E c . 3 . 7
)
ra/c teórica
Ecuación 3.7: Porcentaje de exceso de aire en la combustión.
3.4.7 Cálculo del calor útil (Q1)
Es el calor útil que el generador de vapor emplea para evaporar el agua hasta la
mv
Q h − h ………………………….( E c . 3 . 8
1 2) 1
mc
El calor que se llevan los gases de escape por transferencia de calor con el ambiente:
Lb gases
Dónde: mg : Flujo de masa de gases
Lb combustible
BTU
Cpg : Calor específico de los gases: 0, 24
lb-ºF
3.10)
85% C
15% H
BTU
Q3 9H Cpa (212 − Tc ) CL Cpv (Tg − …. . ( E c . 3 . 1
lb comb.
212) 2)
Donde:
BTU
Cpa(212 – Tc) = Elevación de temperatura del agua en formación hasta
lb
212ºF (100ºC)
BTU
CL = 970,3 = Calor latente de vaporización del agua en formación.
lb
BTU
Cpv (Tg – 212) = elevación de temperatura del agua en formación desde
lb
BTU
Cpa = Calor específico del agua (1 )
lb-ºF.
BTU
Cpv = Calor específico del vapor de agua (0,46 )
lb-ºF.
2C + O2 → 2CO 3960
C + O2 → CO2 14150
Elaboración: propia.
Entonces:
%CO
Q 14150 − 3960 0, 85 ……….( E c . 3 . 1 3
BTU )
4
%CO 2 + %CO lb.comb
Donde:
%CO
= Cantidad porcentual de CO en los gases de escape en
%CO2 + %CO
químicas a CO.
%CO
0, 85 = Cantidad de carbono convertido a CO por lb
de
%CO2 + %CO
combustible.
3.4.11 Calor perdido por calentamiento de la humedad del aire ambiental
(Q 5)
Q5 M Cpv Tg −
BTU
………………..( E c . 3 . 1 4
lb comb. )
TBS
Donde:
lb de humedad
Mv W
lb de aire
ra c
real
lb de aire
………………(
5)
Ec. 3.1
lb comb.
Donde:
psicrométrica.
BTU
Cpv = Calor específico del vapor (0,46 )
lb-ºF.
5
Q6 QT − Qi …………………………( E c . 3 . 1
6)
i 1
Ecuación 3.16: Calor perdido por radiación, convección y otros.
Donde:
QT = Poder calorífico alto (19300 BTU/lb.comb.)
Esta definición es de carácter hipotético definida como una masa de vapor de 15,6
Kg/h (34,5 lb/h) que desde y hasta 100ºC (212ºF) cuyo valor latente de vaporización
538,9
Kcal/Kg (970,3 BTU/lb) a una presión de 14,7 PSI permite obtener una cantidad de
calor de 8437 Kcal/h (33500 BTU/h) con una superficie de calentamiento de 0,929
Q1 m c
HPc …………………….( E c . 3 . 1 7
)
33500 BTU/h-HP
Donde:
permite evaluar el calor ganado por el agua en el interior del caldero en términos de
h 2 −h1
fe
……………………………( E c . 3 . 1 8
)
h1H caldero
Donde:
h2, h1: Entalpías en el proceso de evaporación en el caldero.
3.4.15 Cálculo de la evaporación equivalente (Ee)
Es decir, evaporación equivalente expresa las libras de agua que se pueden evaporar
E e f e m v ………………………….( E c . 3 . 1
9)
Donde:
fe = Factor de evaporación
m v = Flujo de vapor
Concepto importante también para fines de comparación que nos permite comparar
Ee
Pv ………………………………( E c . 3 . 2 0
)
mc
Ecuación 3.20: Producción de caldero.
Donde: Ee = evaporación equivalente
m c = flujo de combustible
Debido a que los generadores de vapor cada vez alcanzaban mayores capacidades,
surgió este concepto que compara su régimen de funcionamiento con los definidos por
el caballo de caldera.
Q1
33500 BTU h-HP
%R 100 …………………..( E c . 3 . 2
1)
Sc
2
10 pie HP
Donde:
Q1
(%) 100 … … … … … … … … … … … . ( E c . 3
.22)
Pc
Donde:
BTU
Pc = poder calorífico del combustible Diesel 2 (19300 )
lb combustible
3.5 Metodología para Resumir los Cálculos del Balance Térmico en el
Diagrama de Sankey
El diagrama de Sankey lleva el nombre del Capitán Irlandés Mattew Sankey, quien
utilizó por primera vez en 1898 para resumir gráficamente balances de procesos
BTU
simple, por ejemplo para la determinación del %Q1: (QT = 19300 ):
lb comb.
QT ⎯⎯⎯→ 100%
Q1 ⎯⎯⎯→ X%
Entonces:
Q1 100
X% %Q1 …………………………...(Ec.3.23)
19300
térmico de la caldera.
Figura 3.4: Diagrama de Sankey que corresponde al funcionamiento de la caldera del
Comedor.
(% Q1)
Calor absorbido
perdido por radiación
y otros
(%Q6)
Elaboración: Propia.
3.5.1 Metodología de cálculo de la performance
Definición de carácter hipotético definido como una masa de vapor de 15,6 Kg (h) o
34,5 lb/h que se calienta desde y hasta 100ºC (212ºF) cuyo calor latente de vaporización
538,9 Kcal/Kg (970,3 BTU/lb o 14,7 PSI) permite obtener una cantidad de calor de 8437
Kcal/h (33500 BTU/h) con una superficie de calentamiento de 0,929 m 2 (10 pies2) el
Cabe hacer mención que estas definiciones nacieron cuando los generadores de vapor
eran solamente simples recipientes hervidores de agua, y solamente sirven para fines de
evaluar el calor ganado por el agua en el interior del caldero en términos de evaporación
h 2 −h1
fe ………………………….( E c . 3 . 2
4)
h1HPcaldero
E e f e m v …………………………..( E c . 3 . 2 5
)
Ecuación 3.25: Evaporación equivalente.
Dónde: m =flujo de vapor en lb/h
v
fe = factor de evaporación
Concepto importante también para fines de comparación que nos permite comparar
Ee
Pv ………………………………..( E c . 3 . 2 6
)
mc
m c = flujo de combustible
Se calcula debido a que los generadores de vapor cada vez alcanzan mayores
BTU
Q1 33500
%R h-HP ……………………..( E c . 3 . 2 7
)
pie 2
Sc 10
HP
Q1
(%) ………………………………( Ec. 3.
28)
Pc
introducida la laminilla, especial de una muestra del agua de alimentación del generador
de vapor durante 5 segundos hasta que tome una coloración determinada para
determinar su pH respectivo.
Vc = 125 galones
tc = 11 horas
Análisis de gases:
%CO2 = 12,8
%CO = 0,3
%O2 = 3,4
CAPÍTULO IV
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los datos que se midieron en la sala de máquinas de la caldera fueron los siguientes:
TBS = 20ºC
TBH = 17,8ºC
Ta = 15ºC
Tc = 20,6ºC
Pv = 110,5 PSI
g) Consumo de combustible:
Vc = 106 galones en
tc = 11 horas
h) Análisis de gases:
% CO2 = 12,8
% CO = 0,3
% O2 = 3,4
Todos los cálculos se realizaron en unidades del sistema inglés, porque a pesar de
inglés habitualmente.
tipo de orificio para medir el flujo de vapor, el cual es de lectura directa; obteniéndose la
siguiente medida:
m v = 1 068 lbs/h
4.1.2 Cálculo del flujo de Combustible ( m c )
p.m. a 7 p.m. El día que se midió fue el 29 de diciembre del 2016, la caldera consumió
Entonces:
Vc = 106 galones
tc = 11 horas
mc
Sabemos que: diesel …………………………..…………..(Ec. 4.1)
Vc
3 lb
Por consiguiente: m c 14,17 pie 54, 6 3
pie
m c 773, 68 lb
m c 773, 68 lb lb
mc 70, 33
tc 11h h
4.1.3 Cálculo para el análisis de gases
% CO2 = 12,8
% O2 = 3,4
% CO = 0,3
Considerando que:
4.3) Entonces:
%N2 = 83,5
C XH Y + a O 2 + b N 2 → c C O 2 + d C O + e O 2 + f N 2 + g H 2O . . . ( E
e = 3,4 % de �2 f = b = 83,5 % de �2
Nitrógeno : 79%
Oxígeno : 20,99%
b 79
Por tanto: 3, 76
a 20, 99
b
Entonces: a=
3, 76
83, 5
a= 22,
21
3, 76
C: x=c+d
x = 12,8 + 0,3
x = 13,1
O: 2a = 2c + d + 2e + g
g = 2a – (2c + d + 2e)
g = 11,72
H: y = 2g
y = 2 (11,72)
y = 23,44
ra/c real
32
lb
mol O 2 Nº
moles O 2
28 lb
mol N2
Nº
moles N2
………(Ec. 4.5)
12
lb Nº
mol C moles C
1 lb
Nº
mol H moles H
Reemplazando los números de moles, calculados en el balance de la ecuación de
combustión:
32 22, 2128 83, 5
r
12 13,1 1 23, 44
a/c real
lbaire
ra/c real 16, 88lb
comb.
4.6) Balanceando:
C: 7=b
b=7
H: 15 = 2d
d = 7,5
O: 2a = 2b + d
2a = 2(7) + 7,5
21,5
a=
2
a = 10,75
lbaire
ra/c teórica 14, 91lb
comb.
4.1.6 Cálculo del exceso de aire
% Exceso aire
ra/creal
100 −100 ………………….(Ec. 4.7)
ra/c teórica
16,88
% Exceso aire 100 −100
14,91
mv
Q 1 h 2 − h1 …………………………(Ec. 4.8)
mc
2
1
h1 h2 S
Elaboración: propia.
La prueba de salida del vapor (Pv) medida fue de 110,5 PSI en el manómetro de la
caldera, pero en el diagrama T-S debe ser presión absoluta, por lo tanto:
Físico Matemática fue de 490 mm Hg, la cual expresada en PsI (lb/pulg2) es igual a:
lb
Pátmosférica 490 0, 9, 48
pulg 2
01934
KJ
h 2043, 437 878, 50
BTU
2
Kg lb
h1 = líquido subenfriado.
una manera similar a las del vapor sobrecalentado, las propiedades del líquido
KJ BTU
h1 hf a 15ºC = 62,99 27, 08
Kg lb
También:
lb
m v 1068
h
lb
m c 70, 33
h
1068 lb/h
Q1 878,50 − 27,08 BTU/lb
70,33 lb/h
BT U
Q1 12929,28
lb combustible
Donde:
lbgases
mg 16, 32
lbcomb.
BTU
C pg 0, 24
lb-ºF
Tg = 350ºC = 662ºF
Reemplazando:
lb gases BT
Q 2 16, 32 0, 24 662 − 68 ºF
lbcomb. lb-ºF
BTU
Q 2 2326, 58
lbcombust.
4.1.9 Cálculo del calor perdido por evaporación del agua de formación (Q 3)
Donde:
H = 0,15
Reemplazando:
%CO
Q 14150 − 3960 0, 85 ….(Ec. 4.12)
BTU
4
%CO 2 + %CO lb.comb
Donde:
%CO = 0,3
%CO2 = 12,8
Reemplazando:
0,3
Q4 14150 − 3960 0, 85
12,8 + 0,3
BTU
Q 198, 20
4
lb.comb
4.1.11 Cálculo del calor perdido por calentamiento de la humedad del aire
(Q5)
Donde:
lb de humedal l d aire
MW b e
r
a c
real
lb e aire
d lb comb. ………(Ec. 4.14)
Donde:
W= relación de humedad, lo determinamos en la carta psicrométrica.
TBH = 17,8ºC
TABLA PSICRQMETRICA.
",~A!I e.
GRAf'ICO PSICROMETRICO
T£M?ERATURAS NORw.(.[S
PRESlC* ATWOSf'ERlCA
10,1110 apt
a
ALTITIIO' 300D ...
•
w = 0,18
Fuente: http://frioycalor.info/Comunes/Completo_Curso_FrioCalor
De la Carta Psicrométrica:
lb vapor
W 0,018 lb aire
También: r
a c 16, 88
lb aire
real lb comb.
Reemplazando:
lb vapor lb aire
M 0,018 16,88
lb aire lb comb.
lb vapor
M 0,3038 lb comb.
BTU
Cpv = Calor específico del vapor de agua = 0, 46
lb - ºF
lb vapor BTU
Q5 0,3038 0,46 662ºF − 64ºF
lb comb. lb-ºF
BTU
Q5 83, 57
lb comb.
5
Q6 QT − Qi ………………………...(Ec. 4.15)
i 1
Donde:
BTU
QT 19300
lb comb.
Q i
12929, 28 2326, 58 1782, 41 198, 20 83, 57 17320, 04
i 1
Entonces:
Q6 19300 −17320, 04
BTU
Q 1979, 96
6
lb comb.
Q1
HPC ………………….…...(Ec. 4.18)
33500 BTU/h-HP
m c 70, 33 lb
combustible/h
Reemplazando:
BTU lb
12929, 28 70, 33
HPC combust.
lb combust. h
33500 BTU/h-HP
HPC 27,14
h 2 −h1
fe …………………………..(Ec. 4.19)
h1HPcaldero
Donde:
h2 = 878,50 BTU/lb
h1 = 27,08 BTU/lb
Reemplazando:
fe
878, 50 − 27, 08
BTU/lb
970, 3 BTU/lb
f e 0, 88
E e f e m v ………………………………(Ec. 4.20)
Donde:
fe = 0,88
m v = 1068 lb vapor/h
Reemplazando:
lb vapor
E e 0, 88 1068
h
lb vapor equivalente
E e 939, 84
h
Ee
Pv …………………………(Ec. 4.21)
mc
Donde:
lb vapor equivalente
E e 939, 84
h
lb combustible
m c 70, 33
h
Reemplazando:
lb vapor equivalente
939, 84
Pv h
lb combustible
70, 33
h
lb vapor equivalente
P v 13, 36
lb combustible
Q1
33500 BTU h-HP
%R ……………....(Ec. 4.22)
Sc
2
10 pie HP
Donde:
Q1 = 12929,28 BTU/lb
Sc = 1250 pie2
Reemplazando:
12929,28 BTU lb
33500 BTU h-HP
%R 2
1250 pie
2
10 pie HP
%R 0, 31%
Q1
(%) ………………………(Ec. 4.23)
Pc
Donde:
Reemplazando:
(%) 66,99%
BTU
QT 193000 ⎯⎯⎯→ 100%
lb comb.
BTU
12929, 28 ⎯⎯⎯→ X%
lb comb.
12929, 28 100
X% 66, 99%
19300
Entonces: Q1 = 66,99%
Q1 = 66,99%
Calor Absorbido
perdido por radiación
y otros
Q6 = 10,26%
Elaboración: propia.
caldera
humedad del aire ambiental (Q5) porque este calor depende de las
particular.
Resultados:
a siguiente tabla:
siguiente tabla:
resultados del balance térmico del diagrama de Sankey de la tabla: 6, con las
energético:
relativamente menor que el que debería tener (72%) lo cual se debe a dos causas:
porcentaje recomendado.
de exceso de
aire alrededor de 10% lo que implicará una reducción de la temperatura de
También la suciedad de las superficies de los tubos, del lado del fuego se
2) Para reducir las pérdidas por radiación, convección y otros, que están en el
Se debe también tratar de que la caldera opere a un mayor factor de carga, para que
por lo que se debe disminuir para optimizar la operación de la caldera, para lo cual debe
escape) la concentración del oxígeno como indicador del exceso de aire. Como segunda
alimentación debido a que se necesitará menos energía para producir el vapor. Como
Optimización:
pérdidas energéticas por radiación al medio exterior y los que ocurren en los gases de
combustión.
conlleva a que tenga un bajo factor de carga que afecta a su eficiencia energética y a la
vapor que es capaz de producir la caldera y que sobrepasa la cantidad real necesaria
comedor de la UNA.
�1
��(%) = ∗ 100
��
Donde:
�𝑉
� 1= ∗ (ℎ2 − ℎ1 )
��
ℎ2 : 878,50 ���/𝐿�
ℎ1 : 27,08 ���/𝐿�
ℎ2 : 878,50 ���/𝐿�
�� : 70,33 𝐿�/ℎ
�𝑉 : 1068 𝐿�/ℎ
1100 𝐿�/ℎ
�1 = 70,33 𝐿�/ℎ ∗ (878,50 − 27,08)���/𝐿�
�1 = 13316,68 ���/𝐿�
13316,68 ���/𝐿�
��(%) = ∗ 100
19300 ���/𝐿�
��(%) = 68,99
2%
incrementar de 15ºC a 75ºC; y el flujo de calor que ceden los gases de escape al agua de
evaporación del agua en la caldera, por consiguiente, será un calor que incrementará el
� = 39 600
���.
90���
�= ∗ 39600 ���
���
� = 3 564 000 ���
���
� = 184,66
��. �� �������𝑖���
�1
��(%) = ∗ 100
�
�
Donde:
Entonces:
13 113,94
��(%) = ∗ 100
19 300
��(%) =
67,95%
El incremento de la eficiencia funcionando con un intercambiador de calor el cual
99%
���𝑖�𝑖�����ó� =
0,96%
CONCLUSIONES
Los calores o energías calculados, fueron: el calor útil que es utilizado para
menos en 1% más.
carbono (CO) que no debe superar a 400 ppm (partes por millón).
eficaz.
y por ende un ahorro de dinero para las industrias que trabajan con calderas.
4. Desde el punto de vista académico la tesis servirá para que los estudiante s de
María.
Graw Hill.
Científica y Tecnológica.
Calderas. Lima.
Continental S.A.
Editorial UNI.
Marca INTESA
Modelo PTH-250-3-WB-D2-GLP/GN
Tipo Pirotubular horizontal
Wetback (Espalda húmeda)
Pases Tres
Potencia 250 BHP
Capacidad calorífica 8 369 miles, BTU/Hr
Superficie de calefacción 1 250 Sq. Ft.
Capacidad de producción de vapor 8 625 lb/H a 212ºF-180 psi
Presión de diseño 150 PSIA
Presión de prueba hidrostática 250 PSIG
Presión de trabajo Regulable de 15-150 PSI
Combustible de operación Dual (Petróleo Diesel Nº 2 y GLP)
Consumo de combustible máximo 60-90 GLs/dia
Eficiencia térmica 87%
Suministro eléctrico
Fuerza 220V/3∅/60Hz
110V/1∅/60Hz
Controles
Diseño Bajo las normas del código ASME y
ASTM
Funcionamiento y operación Automático con combustión modulante
Año de fabricación 2006
Elaboración: Propia.
Marca Baldor
Modelo M3312T
Potencia 10 HP
Revoluciones 3450 RPM
Tensión 208-230 V
Fases 3∅
Frecuencia 60 Hz
Elaboración: Propia.
Marca KOMBRACH
Accesorio Válvula globo
Tipo GG25-K20N
Conexión 4” – 150 PSI
Elaboración: Propia.
Marca CONBRACO
Modelo 19KHA125
Cantidad 2
Medidas 2”x2”
Presión 125 PSI
Capacidad 5609 Lb/Hr
Elaboración: Propia.
Marca CIMPA
Dial 4”
Conexión ½”
Rango 0-600ºC
Elaboración: Propia.
Anexo 2: Operación y mantenimiento de la caldera pirotubular serie
PTH
Operación
1. Controle el nivel de agua, abra las llaves de prueba de control de nivel para
5. Espere a que la presión suba al punto que ha sido regulado y que apague el
quemador.
b) Parada diaria
El quemador arranca cuando la presión baja a 90 PSI y parará a los 100 PSI.
d) Pruebas
Prueba de la fotocelda:
Estando el quemador en funcionamiento, se desenrosca la fotocelda y se tapa
en el tubo de vidrio.
Mantenimiento
Cada 8 horas:
1. Purga de fondo del caldero: (se debe vigilar constantemente el nivel de agua
bajar del mínimo permisible; las purgas de fondo deben hacerse cuando el
Semanalmente:
Mensualmente:
3. Las boquillas deberán ser desarmadas para limpiar el filtro que tienen. Debe
4. Limpiar los filtros de petróleo y agua. Esta limpieza debe ser más frecuente
condiciones lo exigen.
Las fugas de las tuberías de agua, vapor y petróleo deben ser eliminadas
alimentación. c) Recomendaciones
Debe ponerse una tubería flexible en succión y retorno del quemador para la
vibración.
a) Operación
Después de revisar todas las entradas y salidas del calentador, asegúrese que
válvula termostática.
fondo. b) Mantenimiento
fuera el caso.
Mantenimiento anual:
c) Recirculación
donde las líneas son largas y grandes esto podría ser un factor molesto, pero