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Balance térmico de un generador de vapor

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La distribución del calor resultante de la combustión del combustible en el hogar de una caldera se comprende mejor por medio del balance térmico, el cual consiste en elaborar una tabla, con el calor absorbido por el generador de vapor y con las pérdidas varias de calor ocurridas en la combustión.

Generalmente los cálculos se expresan en kcal/kg y en % (Btu/lb)

1.Calor absorbido por el generador de vapor

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El calor absorbido por el generador de vapor (incluyendo economizador y sobrecalentador en caso de utilizarlos), puede calcularse de la siguiente manera:

H1= ms/mf * [(h – hf)] (6)

H1 = calor absorbido por el agua y vapor por kg de combustible tal como se quema en kcal/kg

mf =peso total del combustible quemado en kg/h o m3/h

ms = peso del vapor producido por la caldera (o recalentado) kg/h

h= entalpía de 1 kg de vapor a la presión y titulo o temperatura observados en kcal/kg

hf= entalpía de 1 kg de agua de alimentación a la entrada de la caldera en kcal/kg

2.Pérdidas caloríficas debidas a la humedad del combustible

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La humedad del combustible se vaporiza y abandona la caldera en forma de vapor sobrecalentado. La presión absoluta parcial del vapor en los gases de combustión es 0.07 kg/cm2 su temperatura es la de los gases.

H2= mm(h” – h’ f´) (7)

H2= pérdidas caloríficas en kcal /kg de combustible tal como se quema.

mm= peso de la humedad libre del combustible en kg/kg o % tal y como se quema

h”= entalpía del vapor sobrecalentado a una presión absoluta de 0.07 kg/cm2 y temperatura de los gases en kcal/kg.

h´= entalpía del liquido a la temperatura a que entra el combustible en el hogar en kcal/kg.

3. Perdidas caloríficas debidas al agua procedente de la combustión del hidrogeno

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El hidrógeno del combustible al quemarse se transforma en agua, la que abandona la caldera en forma de vapor recalentado.

H3=9HY(h” – hf’) (8)

H3= pérdidas caloríficas en kcal /kg de combustible tal como se quema.

HY = peso del hidrógeno en kg/kg de combustible tal como se quema

4. Perdidas caloríficas debidas a la humedad del aire suministrado

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Estas perdidas caloríficas son pequeñas

H4= mv * cm(tg – ta) (9)

H4= pérdidas caloríficas en kcal /kg de combustible tal como se quema.

mv= % de saturación del aire en forma decimal multiplicado por el peso del vapor de agua requerido para saturar 1kg de aire seco (tabla XVIII del apéndice del SEVERNS) a ta , multiplicado por el peso de aire seco empleado (maa) kg de combustible tal como se quema.

cm = calor especifico medio del vapor (0.46 kcal/Kg. oC)

tg = temperatura de los gases a la salida de la chimenea. en oC

ta = temperatura del aire a la entrada de la caldera en oC

maa = mdg - C1 + 8 (H – (O/8) )

5.Perdidas caloríficas debidas a la humedad del aire suministrado

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Esta pérdida es la mas importante y se calcula así:

H5= mdgcmh (tg – ta) (10)

H5= pérdidas caloríficas en kcal /kg de combustible tal como se quema

mdg=[(4CO2 + O2 + 700)/3(CO2+ CO)] * C1

cmh = Calor especifico medio de los gases secos (valor aporx. = 0.24 Kcal/kgoC )

C1 =(mfcf – mrcr)/mfx100

C1= Carbón quemado por kg de combustible (kg)

mf = peso del combustible quemado (kg )

cf = carbono del combustible según análisis elemental (%)

mr =residuos y cenizas en kg o en %

cr =carbono contenido en mr en kg o en %

6. Perdidas caloríficas debido al combustible gaseoso sin quemar

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Esta pérdida generalmente es pequeña y se debe a que el aire es insuficiente para la combustión lo que da como resultado que parte del combustible forme monóxido de carbono

H6=[CO/(CO2+ CO)] * 5689.6 * C1 (11)

H6= pérdidas caloríficas en kcal/kg de combustible tal como se quema

CO y CO2 = porcentajes en volumen determinados por análisis de los gases de los humerales

C1 = peso del carbón realmente quemado por kilogramo de combustible

7. Calor perdido por combustible sin consumir contenido en cenizas y residuos

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Parte del carbono del combustible, ya sea sin quemar o parcialmente quemado, cae en el cenicero. Esta pérdida depende del tipo de parrilla, velocidad de combustión, tamaño y clase de carbón.

H7=(8148mrcr)/mf (12)

H7 =pérdidas caloríficas en kcal/kg de combustible tal como se quema

8. Perdidas caloríficas debido al hidrogeno e hidrocarburos sin consumir, radiación y otras pérdidas

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Estas pérdidas se determinan restando el calor absorbido por la caldera (H1) y las pérdidas caloríficas del 2 al 7, de la potencia calorífica superior del combustible tal como se quema.

H8 = F –(H1+H2 +H3 +H4 +H5+ H6+H7) (13)

F = potencia calorífica superior del combustible tal como se quema kcal/kg o Kcal/ m3

Balance térmico por kg de combustible quemado

Concepto Procedimiento de cálculo kcal %

Calor absorbido caldera H1

Humedad Combustible H2

H2 del combustible H3

Humedad del aire H4

Gases en chimenea H5

Combustión incompleta H6

Combustible en cenizas y escoria H7

Perdidas por radiación y varias H8