Generadores de Vapor
Generadores de Vapor
Generadores de Vapor
VAPOR
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 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.
CALDERAS PIROTUBULARES
SE USAN PARA CAPACIDADES Y PRESIONES REDUCIDAS.
7. vlvula de
seguridad
8. Tubo de salida del
(3)
( 1)
( 2)
(11)
9. Alimentacin del
agua a la caldera
10. Lugar donde se
introduce el
combustible al
horno
11. Parrilla donde
se coloca el comb.
Solido
12. Cmara de
cenizas con su
puerta de limp.(13)
14. val.de purga
15. Puertas para
limp. De caldera
CALDERAS ACUOTUBULARES
SE USAN PARA CAPACIDADES Y PRESIONES MAYORES.
( C.C. ) =
S
10.0
C.C = S / 10
C.C. = Caballo caldera ( a dimensional
)
2
2
S
= Superficie de calefaccin ( ft ); (m )
S = x D x L x No. Tubos
donde:
= 3.14
D = Dimetro 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
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 100C y
80
70
adquiere una energa (cantidad de calor) de 100 Kcal/Kg. A
60
partir de ese instante, no subir mas la temperatura y todo
50
el calor que cedamos al agua se utilizara nicamente 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 tendr almacenada una energa
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 absorber una cantidad de calor igual a:
T
(F)
250
212
200
150
100
32
50
1150.3 Btu/Lb
180 BTU/Lb
El 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.
Q BTU/Lb
200
Calor
sensible
400
600 800
Calor latente
1000
1200 1400
Estas condiciones significan que el fluido absorber una cantidad de calor igual a:
FACTOR DE EVAPORACION
Factor 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/cm2 ( 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 :
10,174 Kg/hr
15.65 Kg/hr
22,360 Lbs/hr
34.5 Lbs/hr
Si llamamos:
Entonces :
Fe = Factor de evaporacin
WE = Evaporacin equivalente
Wr = Evaporacion Real
Fe =
Fe =
950 = 850 Kg
1.118
h
= 128
CC = 4300000 BTU/h
33500 BTU/h
= 128
EJERCICIO :
Una caldera produce vapor y tiene una superficie de calefaccin 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 calefaccin 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 = 12060,000 BTU / h
Ejercicio:
2
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
10
El agua de
alimentacin pasa
primero por el
economizador y
luego entra a la
caldera
El agua de alimentacin es
calentada en el economizador
hasta muy cerca de la
temperatura de ebullicin.
ECONOMIZADOR.-
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 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.
PROCESO ISOBARICO
Vapor
saturado
Hb
H1
ECONOMIZADOR
Qe
Liq.
saturado
VAPORIZACION V
CALDERA
Hv
Hs
SOBRECALENTADOR
Qc = W (Hv H1)
Qc
Qe = W (H1-Hb)
Qs
Qs = W (Hs Hv )
Qv = W ( Hs Hb )
T
S
. .
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 alimentacin al entrar a la caldera
1
Hv = Entalpia del vapor al salir de la caldera (generalmente calidad
de 98 o
99 % seco).
Qe = W ( H1 Hb )
EN LA CALDERA
Qc = W (Hv - H1 )
EN EL SOBRECALENTADOR
Qs = W ( Hs Hv )
BTU/Lb
Kcal / Kg
W
AGUA
Tb
Hb
Qe
Economizador
AGUA
CALIENTE
Pv
GASES DE COMBUSTION
Qc
Qs
VAPOR SATURADO
Caldera
Hv
Tsat
T1
H1
Sobrecalentador
VAPOR
SOBRE
CALENQv
TADO
Hs
Ts
( wg )
Precalentador
de aire
AIRE
ATMOSFERICO
AGUA
CALIENTE
Wg
HORNO
COMBUSTION
Cc
GASES DE
COMBUSTION
PCS
Qh= Calor producido en el horno BTU / h Kcal / h.
PCI
Qh
Th
Qh= PCS X Cc
Qv= CALOR APROVECHADO
Cc= CONSUMO DE COMBUSTIBLE
g = Rendimiento
GASES A LA
ATMOSFERA
g = Calor aprovechado
CHIMENEA
Calor suministrado =
Qv
Qh
Kg / h Lb / h
W ( Hs Hb )
PCS * Cc
Qv = Qe + Qc + Qs
= W ( Hs Hb ) con sobrecalentador
Qv = W ( Hv Hb ) sin sobrecalentador
RENDIMIENTO DE UN GENERADOR
g = Qv / ( PCS * C.c )
g = W ( Hb Hb ) / PCS* C.c.
g = 335 * CC * R / PCS * C.c
g = 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 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
:. Qh Qv
Qh
P.C.S
W ( Hs- Hb )
C.c. = g P.C.S
Problema : Una caldera trabaja a 175 por ciento de carga, tiene 2430
pies 2 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 ft2 , 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
PCS x g
= 14245,875
13,160
Kg / Hr Lb / Hr
P.C.I = P.C.S. -
1080 BTU
Lb H 2O
600 Kcal
Kg agua
Wg = A + ( 1 z ) = Kg Lb gases
C
Kg Lb comb
ANALISIS DEL
AIRE QUIMICO
HORNO
Aq = Aire quimico
Aq = 11.5 % C + 34.5 % H2 + 4.31 ( % S ) - 4.31 % O2
=
Kg Lb aire
Kg Lb comb.
20% deficit
= 0.8
30% exceso
Ap
1.3
1.3 Aq
Ap = 0.8 Aq
ENTRADAS = SALIDAS
AIRE
A/C
HORNO
balance
A / C + 1 = Wg
COMB
1 Kg Lb
PRODUCTOS DE LA
COMBUSTION
Wg = Kg Lb gas
Kg Lb comb
C + O2
CO2
1 mol + 1 mol
mol
12 Kg + 32 Kg
1 Kg
1
44 Kg CO2
+ 2.66 Kg
3.66 Kg CO2
N2
AIRE
O2
Moles
H2
Aq
H2
79
21
9 Kg H2 O
1 Kg aire = 0.768 Kg N 2
0.232 Kg O2
23.2
21
18 Kg H2
8 Kg O 2
8
0.232
79
1 mol H 2 O
+ 16 Kg O2
% Peso
76.8
H2 O
1 mol + mol O 2
+
% Vol
N 2 = 3.76
O2
+ O2
2 Kg
O
1 Kg
34.5 Kg Lb aire
Kg Lb H.
Aq
Kg O
Kg C
2.66
=
Kg
O
0.232
11.5 Kg aire
Kg C
Kg aire
O2
SO2
1 mol + 1 mol
1 mol SO2
32 Kg + 32 Kg O 2
1 Kg
Aq
aire
64 Kg SO2
+ 1 Kg O2
1
0.232
2 Kg SO2
4.31
Kg Lb
Kg Lb S
TEORICA
Th
= F C
Ca = calor especifico del aire = 0.24
Cg = calor especifico de los gases = 0.27
ft 3 o
m3
%CO
%CO + %CO2
* C * K
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/pulg2 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/ Pie3 hr ( Liberacion de calor permitido)
La caldera trabaja a 300% de carga y produce vapor con una calidad de
X= 95%